基于可編程控制器(PLC)的變頻調速恒壓供水系統的設計實現

摘 要:本文利用可編程控制器(PLC)，配以不同功能的傳感器，根據網管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。這種變頻調速恒壓供水系統直接取代水塔、高位水箱及傳統的氣壓罐供水裝置。另外，此系統可實現循環變頻，電機軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作性能穩定可靠，大大延長了設備的使用壽命。由于水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節省40％。

關鍵詞:PLC 變頻調速 恒壓供水系統 PID

中圖分類號:TV1 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2010)03(c)-0106-01

1 變頻調速恒壓供水系統的設計原理

此恒壓供水系統采用了三臺水泵并聯運行的方式，利用壓力傳感器將主水管網水壓變換為電信號，經模擬量輸入模塊，輸入可編程控制器(PLC)，PLC根據給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，輸出控制信號，經模擬量輸出模塊至變頻器，調節水泵電機的供電電壓和頻率。當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網的壓力穩定時，PLC給定的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將下一臺備用泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態下的泵投入到工頻運行，再將一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現，PLC首先將最先工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉第二臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。

2 變頻調速恒壓供水系統硬件設計

本系統選用了西門子公司的S7-214PLC，輔以輸入/輸出擴展模塊組成，主要檢測元件有光電開關、壓力檢測開關，共計12個輸入信號。執行部件有電機、變頻調速器、聲光報警器等，共3個輸出點。PLC主要完成現場的數據采集、轉換、存儲、報警、控制變頻器完成壓力調節等功能。三臺水泵由變頻器直接驅動，進行恒壓控制，變頻器的起動、停止分為手動和PLC自動控制。控制面板上設有一個手動/自動轉換開關，PLC對該開關的狀態實時檢測，當選擇手動功能時，PLC只進行檢測報警，由人工通過面板上的按鈕和開關進行水泵的起、停和切換。當選擇自動功能時，所有控制、報警均由PLC完成。控制系統原理圖如圖1所示。

3 變頻調速恒壓供水系統軟件設計

為方便編程和調試，系統控制器采用模塊化編程，主要由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警模塊三個部分構成。

(1)手動運行模塊。

當系統處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運行狀態，在出現故障的情況下，輸出報警信號。水泵的起、停和切換由人工通過面板上的按鈕和開關來實現。

(2)自動運行模塊。

自動運行模塊包括系統的初始化、開機命令的檢測、數據采集子程序、控制量運算子程序、置初值子程序、電機控制子程序等。

電機控制子程序完成對三臺水泵的運行和停止控制。由于變頻器的輸出頻率與水泵的運轉速度直接相關，用水量大時，變頻器輸出頻率升高，水泵的運轉速度大；用水量小時，頻率降低，水泵的運轉速度小。因此程序根據變頻器的輸出頻率的大小就可以判斷和控制水泵的工作狀態。

(3)故障診斷和報警輸出模塊。

變頻器具有短路、過載等保護功能，當變頻器所驅動的水泵電機發生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進入保護狀態并輸出報警信號。系統把各故障點相應的接觸器、斷路器等元件的輔助觸點接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點的狀態，并通過PLC程序將這些狀態存放在數據存儲區，再結合控制程序和設備預置狀態進行邏輯分析，判斷設備或元件是否出了故障，如果發生故障，則切斷該泵的接觸器，然后對變頻器復位，再將備用水泵的接觸器接通，啟動變頻器運行備用泵，同時輸出該泵故障報警信號。如電機故障指示燈亮等。各I/O點對應的故障信息如表1所示。

4 結束語

采用PLC作為控制器，硬件結構簡單，成本低，系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。另外，S7-214PLC基本單元提供一個RS-485接口，可以與樓宇監控中心進行通訊，實現無人遠程控制。

參考文獻

[1]鐘肇新，范建東，等.可編程控制器原理及應用，2003.2

[2]宋伯生.PLC系統配置及軟件編程［M］.中國電力出版社，2008.1.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文