變頻器—PLC在自動灌溉系統中的應用

徐德善

摘 要：本文介紹了以變頻器-PLC為核心構成系統的控制原理、結構組成、軟件設計及系統優點。變頻器與PLC配合調控技術在水量控制系統成功應用，有效地解決了控制負荷波動大，調節頻繁和能量損耗大等難題，為現代農業灌溉提供科學理論支持，也說明了變頻調速控制系統優越的技術性能和極其顯著的經濟效益，具有很好的推廣應用價值和進一步的研究價值。

關鍵詞：變頻器；PLC；比較器；控制系統

1 引言

隨著我國水資源供需矛盾的日益尖銳和水資源環境的日趨惡化，農業灌溉用水是我國用水的第一大戶，其用水量占全國工農業總用水量的80%以上，且整體利用效率不高。因此，在農業生產中推廣應用節水灌溉技術的節水潛力很大。然而科學合理的灌溉又是節約資源和更好的施灌的保證。

目前，在自動灌溉控制系統中有很大一部分水泵電機是不變速拖動系統，不變速電機的電能大多消耗在適應供水量的變化而頻繁的開停水泵中。這樣不但使電機工作在低效區、減短電機的使用壽命，而且電機的頻繁開、停使設備故障率很高，導致水資源嚴重浪費，系統的維護、維修工作量較大。

傳統的控制方法已經落后。原先用人工進行供水灌溉和水位控制，由于無法每時每刻對水位進行準確的定位監測，很難準確控制水泵的起停；使用浮標或機械等水位控制裝置使供水狀況有了一些改變，但由于機械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。

2 系統概述

在壓力控制方面的優越性能可以解決水量控制系統存在的以上問題。考慮選用單片機或PLC與變頻器結合為核心構成的系統都能達到較好的控制效果。但在軟件設計上，PLC比單片機的編程更簡潔、直觀；從硬件接口考慮，單片機電路稍微復雜一些；從經濟方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，小型PLC的成本與單片機相差無幾，由于要根據現場情況調整系統參數，PLC的軟件中時間參數的調整更簡單，這樣更有利于售后服務人員掌握。基于以上原因，選用了西門子系列PLC與三菱的變頻器作為控制核心，再加上比較器與壓力變送器，控制效果非常好，軟件設計簡單，硬件接口簡易可行、可靠性高，整個系統的性價比較高。

在供水系統中引進變頻器結合小型PLC技術，不僅改變傳統用閥門控制水量多少，而且在節能、壓力、流量控制等方面均有非常好的效果，本文介紹了變頻器--PLC調控技術在水泵控制中的應用。

3 系統原理

控制系統用一臺變頻器可以帶三臺水泵電動機，每臺水泵既可以工作在常規工頻模式，也可以工作在變頻模式。每臺泵只能處于變頻或工頻其中一種工作模式，也可以通過兩個繼電器互鎖保證它的安全與可靠，本系統運用用傳送指令。主電路如下所示：

系統的結構如圖二所示，利用安置在的灌溉用水中的壓力變送器將水的壓力信號傳輸到比較器，根據與比較器的設定值和報警上下限比較，送信號給PLC與變頻器，系統的起停泵分別由比較器的壓力下限信號和變頻器的頻率下限信號決定，假如壓力低，比較器給PLC一個壓力下限信號，PLC啟動變頻器，并使一號泵處于變頻工作狀態， 輸出的頻率逐漸增大，經過一段時間的調節，如壓力還低，這時，PLC讓一號泵處于工頻狀態工作，使二號泵處于變頻工作狀態泵，如壓力還低，則讓二號泵處于工頻狀態工作，使三號泵處于變頻工作狀態，如此類推。

當壓力達到調節器上限報警值時，調節器輸出降低，變頻器頻率降低，低到頻率下限設定值，這時變頻器給出一個頻率下限信號給PLC，PLC根據先啟先停的原則控制泵的運行順序，例如，PLC收到頻率下限信號時， 系統中泵的狀態是一號工頻，二號工頻，三號變頻，這時一號泵最先啟動，所以先停，接著如壓力還高，則停二號泵。系統采用了每次都進行低速啟動，高速運行以提高運行效率。

若要保證更為精確的精度和更高的利用率則可以帶測速發電機控制的雙閉環控制系統在這里軟件程序不予以介紹，其結構圖如下圖所示：

4 系統的軟件設計

本控制系統的軟件以SIEMES公司的S7-200軟件進行梯形圖設計，通過專用電纜把程序下裝到PLC中。

SIEMES S7-200軟件的梯形圖是逐行掃描，頻率大約100ms一次，PLC軟件設計思路是列出所有泵可能的運行狀態，每種狀態處理兩種情況，有壓力下限信號時增加泵，當無壓力下限而有頻率下限信號時減少泵，按照先啟先停的原則，可列出水泵運行的所有組合狀態。狀態表略。

其中狀態6、狀態7、狀態9，由于次序啟動、先啟先停的原則是不可能出現，可以不考慮。狀態1只有增加泵處理程序，狀態11，狀態12，狀態13，只有減少泵處理程序。梯形圖輸入、輸出點的含義可對照硬件接口圖略。

另外測速發電機測得的結果給比較器，通過比較器將信號傳送給PLC和變頻器，它們之間用DA轉換器和AD轉換器連接。這樣便控制了電動機的啟停和轉速。所以結構框圖中設計了雙重反饋電路即由測速發電機組成的速度反饋和由壓力傳感器組成的壓力反饋系統。

本文由于篇幅原因，只給出部分梯形圖，后面程序以此類推。以下是灌溉系統的手動部分，自動部分程序只需在加計數器CU、CD處考慮到壓力傳感器的上下限位即可。

以下為PLC控制電動機啟停的處理程序，軟件上加入定時器延時也是可行的，其中Q0.0、Q0.1分別表示故障報警和缺過水報警燈。最后的故障處理就是當有缺水或過水信號或變頻器故障信號時把所有的泵與變頻器都停止。

5 系統的優點

采用變頻器-PLC自動灌溉裝置有以下幾個優點：

A：節電效益高。傳統水泵電機均采用大容量電機，用閥門控制水量恒定，造成電能浪費。變頻系統，無論工作參數如何，電機的效率不會降低，電機的功率因數會得到提高。

B：運行可靠、穩定。系統中的核心部件—變頻調速器本身的可靠性很高，一般情況下可連續使用10萬/h以上。系統還采用軟啟動方式，不存在電氣沖擊，不污染電網，而且變頻器自帶欠壓、過壓、過流、過載、過熱以及失速等各種保護功能。系統對管網壓力波動采取阻尼濾波處理，供水恒壓精度較高。

C：結構簡單，操作簡便。裝置的控制系統采用集成度高，配套方案靈活多樣，由可編程控制器得到水泵運行的各種組合。調速范圍廣，對水量變化的適應能力強。

D：使用壽命長，自動化程度高，維護量少。以上系統在實際的應用中效果顯著，如將PLC與變頻器中自帶編程器的功能集成，可開發成一些專用的變頻器，這樣系統的可靠性與健壯性大大增強，應用更加簡單，系統的總成本也會下降。

參考文獻

[1]宮淑貞 王冬青《可編程控制器原理及應用》，人民郵電出版社 2002

[2]丁斗章 《變頻調速技術與系統應用 》，機械工業出版社 2005