一種基于PLC的自動輪換恒壓給水方案

王 帥

（天津中電華利電器科技集團有限公司，天津 300300）

某商廈給水泵位于地下二層，有 3臺，均為15kW，設計供水壓力為 0.7MPa。商廈在白天用水量較大，需同時運行2臺水泵方可滿足用水量要求；而夜間用水量極少，只需一臺水泵變頻運行維持水壓即可，且晝夜用水量較為規律。

1 3臺水泵運行方式

據此用水量特點，3臺給水泵按如下方式運行：

1）變頻起動 1#水泵，用水量不大時，1#水泵在變頻器控制下穩定運行；當用水量加大時，若1#水泵已接近工頻運行而水壓仍不足，則將1#泵切換到工頻運行狀態，同時變頻起動2#水泵，此時當滿足用水量要求。

2）當夜晚用水量減少時，若 2#水泵已低速運轉而水壓仍超限，2個信號同時被PLC檢測到，則停止工頻運行的1#泵，由2#泵變頻運行維持水壓。

3）第二天白天用水量加大時，2#水泵切換到工頻運行狀態，同時變頻起動 3#水泵；夜晚用水量減少，則停止2#水泵，由3#水泵變頻運行維持水壓。

4）第三天白天用水量加大，3#水泵切換到工頻運行狀態，同時變頻起動1#水泵；夜晚停止3#水泵，由1#水泵變頻運行維持水壓。

5）第四天白天 1#水泵工頻運行，2#水泵變頻運行；夜晚1#水泵停止，2#水泵變頻運行。水泵輪換運行狀態見表1。

表1 水泵輪換運行狀態

根據表1可知，第四個晝夜水泵的運行狀態開始重復第一個晝夜，即每經過三個晝夜，3臺水泵將完成一個“變頻運行-工頻運行-停止”的完整輪換過程。

2 主回路方案設計

由于每一臺水泵均有“變頻-工頻”的切換過程，故每臺水泵需要兩臺接觸器來實現切換，兩臺接觸器需要有機械及電氣聯鎖。3臺水泵共需要 6臺接觸器實現切換功能。

主回路原理如圖1所示。

圖1 三臺給水泵主回路原理圖

每臺水泵均設置手動/自動轉換開關，并設置變頻、工頻啟停按鈕，在PLC或壓力傳感器等故障時，能夠手動運行保持供水不致間斷。

3 PLC輸入及輸出信號

該系統的最終執行元件為接觸器，通過控制不同的接觸器閉合而控制水泵的變頻、工頻運行，3臺水泵需3組共6個控制信號，加上變頻器起停信號、水壓失壓報警信號，整個系統共有8個輸出信號，見表2。

表2 PLC輸出信號

該系統輸入信號較輸出信號多，主要有3臺水泵的手/自動狀態信號，故障信號，水壓上、下限信號，變頻器運行頻率上、下限信號，變頻器故障信號等。輸入信號見表3。

表3 PLC輸入信號

該系統輸入信號如上表所示，共13個信號。由于系統選用了三菱電機FR-F740變頻器，運行頻率上限取其模擬量輸出，故共有12個開關量信號和1個4～20mA信號。考慮到某一臺水泵故障情況下與該水泵在手動狀態下PLC處理結果相同，均為另外兩臺水泵變頻-工頻輪換運行，故可將手/自動狀態信號與故障信號合二為一，如此，輸入信號將可減少為10個。

根據上述輸入輸出信號要求，選定PLC為三菱電機FX1N-24MR產品，具有14個繼電器輸入點與10個繼電器輸出點，且程序命令完全滿足該系統要求。PLC配置FX1N-2AB-BD雙通道模擬量輸入控制模塊，用以檢測變頻器SCA端子輸出的信號。

4 水壓模擬量處理

考慮到變頻器參數多而繁復且較為專業，一旦設定完畢不希望隨便改變，故該系統的模擬量信號——管網水壓信號（4～20mA）處理并不調用變頻器PID調節模塊，而是配備外部PID調節儀表。

圖2 PLC輸入輸出信號分配

圖3 變頻器頻率上限信號輸入

圖4 PID調節器

根據系統要求，配置一塊WT-A600型（天津索思儀表）單回路通用自整定PID調節器，該儀表具有兩行數碼顯示，分別顯示設定值與測量值；另有兩行光柱，分別顯示輸入及輸出百分比。

兩線制壓力變送器信號經調節器PID反作用調節后輸出至變頻器外部模擬量控制端子，整個系統以壓力信號為設定值，實現負反饋閉環控制運行模式，從而實現恒壓供水。

該PID調節器可設置上下限報警功能，PLC輸入信號之壓力上下限即由此輸出。該調節器將系統設定值、上限值、下限值、比例參數P、積分參數I、微分參數D等幾個參數設置為常用參數，普通用戶可以修改，高級參數則需要輸入密碼，如此，用戶可根據系統實際運行情況設定一些參數，并得到PID的最佳配值。

5 PLC程序實現

PLC程序可分為兩個部分，一部分根據判定條件確定水泵運行情況，如加泵或減泵；另一部分確定水泵運行或停止哪一臺。

圖5 標志位設定梯形圖示意

利用PLC內部軟繼電器設定兩個標志位，分別為加泵命令（M0）和減泵命令（M1）。由 M8000將FX1N-2AB-BD模擬量輸入模塊的CH1設置為電流輸入模式（4～20mA），并將 CH1的值直接存進D0中，當 D0中的數值達到 20mA（變頻器輸出50Hz）同時壓力下限信號 X1同時存在，經過 20s延時，加泵標志位置位，執行當前變頻運行水泵切換工頻運行，變頻起動下一臺水泵的命令；同理，當壓力上限信號X0與頻率下限信號X2同時存在，經 20s延時M1置位時，執行停止當前工頻運行水泵的命令。

6 結論

以輪換運行的方式實現恒壓供水是一種常用的方案，相比有備用運行的方式，實現了各臺水泵平均壽命，避免了常用水泵磨損嚴重而備用水泵長期不用甚至銹蝕的情況；并實現了在有水泵故障時，其余水泵組成新的輪換系統繼續運行。

在工程案例中，可以根據現場實際運行的水泵臺數和工藝要求選擇合適的輪換條件，如本文中的用水量的周期規律性。若現場要求長期運行，則可以時間為條件輪換運行以達到平均壽命的目的。如筆者曾以相似的方案為天津某汽車生產線機器人冷卻水配套控制設備，以累計運行時間為條件實現 4水泵輪換運行，該控制系統至今已成功運行兩年有余。不同之處在于水泵功率較大（30kW），由變頻運行切換至工頻運行時增加了軟起動器。

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