基于變頻器和PLC的恒壓供水系統技術改造

王志波

摘要：介紹了應用變頻器、PLC、壓力傳感器及壓力模塊、數模轉換模塊改成的智能控制系統對供水系統進行技術改造，論述了控制系統的工作原理、硬件軟件設計。通過實踐證明，PLC與變頻器配合控制，可以較好地實現恒壓供水和節能的目標。

關鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水；自動控制

中圖分類號：F403.3文獻標識碼：A

近年來，供水系統的供水質量及節能越來越引起人們的廣泛關注。筆者2006年暑假帶學員到合作企業進行工學結合培訓期間，就幫助該企業搞了供水系統技術改造，有效地實現了企業供水水壓的恒定和節能目標。

1企業原供水系統存在的問題

該企業因位于市區邊緣地帶，市政自來水壓力較低，故建加壓站充壓供水。其原有供水系統使用繼電接觸器進行控制，水壓控制由值班電工手工操作，通過啟停加壓站的水泵及調節出口閥開關來實現。這種控制方式自動化程度低，系統線路復雜，故障頻繁，維護困難，需要工人24小時看守泵房，能效低，電能浪費嚴重，水壓不夠穩定，對員工生活、企業生產和消防安全都產生不利的影響，很有必要對其進行技術改造。

2技術改造方案

經過深入調研，結合具體情況，筆者制定了供水系統技術改造方案，其要點如下：

2.1系統結構及控制要求

新的供水系統由主供水回路、備用回路、加壓站（蓄水池及泵房）組成，泵房安裝2臺泵機，采用市政自來水管網和蓄水池水源向企業管網供水，有多個電動閥控制供水回路和水流量。

供水系統的控制要求如下：

供水系統設定出水恒壓為0.6MPa。當外來自來水壓力低于設定水壓，或企業用水量大，管網水壓低于設定水壓時，控制系統能自動控制水泵的工作模式及投入運行的水泵臺數。系統以水管壓力與設定壓力保持一致為原則，時刻采集極限頻率信號和壓力反饋信號，通過PLC進行邏輯判斷并輸出相應的指令，控制水泵工頻電源供電與變頻器供電的切換，進而控制水泵的運行，以保證供水系統的水壓恒定。

2.2控制系統的硬件設計及工作原理

2.2.1系統主電路硬件設計及PLC的I/O分配

改造后的控制系統由三菱FX2N—60MR型PLC、FR—A540—15K—CHT1.5KW型變頻器作為控制主機，加上PS4型壓力傳感器及其壓力模塊、數模轉換模塊、接觸器、自動開關、蓄水池水位電極、水塔水位電極及顯示報警裝置等組成。系統主電路如圖1所示。

系統通過PLC轉換開關，可選擇自動和手動兩種工作方式。當選擇手動方式時，可控制各泵在工頻下運行與停車，用于定期檢修或變頻器出現故障時臨時供水。在自動方式下，兩臺水泵可變頻工作，也可工頻工作，由PLC4個輸出點（Y1—Y4）控制其接觸器（KM1—KM4）線圈的得電與失電。

系統選用帶電接點式的水壓傳感器，它能將檢測到的壓力信號對應轉換成相應的電信號反饋進變頻器。系統不但有水壓檢測功能，還有水泵電機過載保護、供電相序故障顯示、變頻器故障檢測與報警功能。如果出現故障，系統會自動停機，同時故障指示燈發亮。系統對水泵電機的各種運行狀態也進行相應的燈光顯示。PLC的I/O分配圖如圖2所示。

2.2.2控制系統工作原理

系統設計時要根據供水系統的設定壓力值給變頻器設定一個給定頻率值。供水系統工作時，安裝在水泵出水管的壓力傳感器通過相關轉換模塊將檢測到的壓力值轉換成相應的電信號，反饋到變頻器，再經過A/D轉換模塊轉換成數字量信號，輸入到變頻器的PID控制模塊，與壓力設定值進行比較。如果傳感器的壓力信號低于設定壓力時，變頻器就會將頻率升高去改變水泵轉速，并通過PLC控制水泵工頻電源供電與變頻電源供電的切換，自動控制水泵運行的臺數，實現閉環控制，使供水壓力保持恒定。當用水需求量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻（50HZ），此時若供水壓力還達不到設定壓力值時，則延時3秒后變頻器的高頻信號進入PLC，通過PLC將1#水泵電機由變頻運行轉換成工頻運行，并起動2#水泵電機變頻運行，以確保供水壓力恒定。當用水要求量下降時，壓力傳感器的壓力變化信號與設定壓力在變頻器中比較后，產生偏差電壓經PID控制器運算，令變頻器的輸入頻率下降，當降至頻率下限（20HZ）時，則PLC延時3秒后關閉2#泵，留1#泵工頻運行。若用水量不斷減小時，PLC就將1#泵切換為變頻運行供水，使水壓保持恒定。

2.3變頻器的參數設置

變頻器的參數設置如下表：

2.4系統的程序設計

根據系統工作原理和電路邏輯功能，筆者用三菱GX Developer編程軟件進行PLC程序編寫，繪制梯形圖。但為了保險起見，Y1與Y2、Y1與Y3、Y2與Y4之間在程序中也進行了互鎖，即Y1與Y2不能同時有輸出，Y1與Y3、Y2與Y4也同樣不能同時有輸出，否則，就會發生變頻器同時拖動兩臺泵，或工頻電直接串入變頻器輸出端U、V、W而損壞變頻器等嚴重事故。系統程序流程圖如圖3所示。因篇幅所限，PLC梯形圖略。

3結束語

系統經調試后投入運行，經1年多來的使用表明完全達到設計要求，系統安全、穩定、可靠性高、能耗低、使用維護方便，無需專人值守泵房。不管外來自來水壓力及企業用水量如何變化，系統都能保證供水壓力恒定。據企業測算，供水系統與改造前比較，每年可節約電費、值守工人工資、設備維修費共10多萬元。實踐證明，PLC與變頻器配合控制，能較好地實現恒壓供水和節能降耗增收的目標。

參考文獻：

[1] 韓安榮. 通用變頻器及其應用[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[2] 廖常初. 大中型PLC應用教程[M]. 北京：機械工業出版社，2007.