變頻恒壓供水系統方案設計

摘 要：變頻恒壓供水系統由PLC、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環控制系統，經變頻器內置PID進行運算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實現閉環自動調節變頻恒壓供水，代替了傳統的水塔供水控制方案。

關鍵詞：恒壓供水 變頻調速 變頻器 PLC

一、系統總體方案的設計

1.供水控制系統的結構

供水控制系統的設計主要包括兩方面：一方面是機械結構的設計；另一方面是PLC和變頻器電氣控制方面的設計。

（1）主要組成部分。①壓力傳感器：作為系統的控制輸入量，能否準確采集該信號決定控制系統的精度及可靠性。②控制器：是整個控制系統的核心，通過對外界輸入狀態進行檢測，輸出控制量；對外界輸入的數據進行運算處理后，輸出相應的控制量。例如單片機、可編程邏輯控制器、計算機等。本系統采用西門子的SIMATIC S7-200系列。CPU226具有24個輸入點和16個輸出點，共40個I/O點。③變頻器：作為核心控制器的后續控制單元，對終端設備進行控制，最終達到控制要求。本系統主要采用全新一代標準變頻器中的風機和泵類變轉矩負載專用MM430型變頻器。功率范圍7.5kW至250kW。具有高度可靠性和靈活性。④水泵：供水系統的執行機構，通過變頻器控制電動機的轉速，最后達到控制水泵流量大小的要求。

（2）電氣控制系統。電氣控制系統主要包括操作面板、電氣控制柜等單元。在該系統中需要檢測較多的數字輸入量，并且還要檢測模擬量的輸入，然后根據設定的程序進行數據處理，供水系統的監控主要包括水泵的自動啟停控制、供水壓力的測量與調節、系統水處理設備運轉的監視及控制、故障及異常狀況的報警等。電氣控制系統安裝在電氣控制柜中，包括供水控制器（PLC系統）、變頻器和電控設備三個部分。

2.恒壓供水系統的工作原理

變頻恒壓供水系統以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。

二、恒壓供水系統電路設計

1.恒壓供水系統主電路設計

系統包括Ml、M2、M3三臺水泵電動機，功率分別為45kW、22kW、22kW。該系統為一臺變頻器依次控制每臺水泵實現恒壓控制，具有變頻和工頻兩種運行狀態。其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制Ml、M2、M3變頻運行，KMl、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M3工頻運行，FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3和QS4分別為變頻器和三臺泵電動機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器；變頻器是風機水泵負載專用變頻器MM430。

2.恒壓供水系統控制電路設計

控制電路的設計包括繼電控制電路及PLC控制電路。繼電控制電路圖設計SA為手動/自動轉換開關，SA撥在1的位置為手動控制狀態，撥在2的狀態為自動控制狀態。手動運行時，可用按鈕SB1～SB8控制三臺泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動運行時，系統在PLC程序控制下運行。其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制Ml、M2、M3變頻運行，KMl、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M3工頻運行。HL1～HL6為指示燈，其中HLl、HL3和HL5分別指示Ml～M3的工頻運行，HL2、HL4、HL6分別指示Ml～M3的變頻運行。HL7、HL8分別水位的上下限指示燈，KA為報警電鈴。KA1為生活消防轉換接觸器。HL9為自動運行狀態電源指示燈。HL10為報警指示燈。KA2為變頻器復位接觸器。

三、其他輔助設備的選用和系統電路的設計

要完成系統的控制功能除了需要可編程控制器（PLC）和變頻器核心器件外，還需要各種按鈕、接觸器、傳感器等輔助儀器設備的選用，以及電氣控制電路的設計。系統的整體硬件框圖，該系統主要由PLC、變頻器、頻率和壓力顯示器、報警器等構成。另外還有PID調節器、TC時間控制器等。通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關了解和控制系統的運行。通過安裝在出水管網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4～20mA的標準信號送入PID調節器，經運算與給定壓力參數進行比較，得出的調解參數送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，從而調節系統供水量。當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓、差壓等情況時，系統能發出報警信號；特別是當出現缺相、變頻器故障、液位下限、超壓時系統會自動停機并報警。當變頻器故障時，系統會自動停機，此時切換至手動方式，保證系統不間斷供水。

（作者單位：南陽技師學院）