基于PLC的供應(yīng)室變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)

趙暉，胡肖聰

1.天臺縣人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 臺州 317200；2.慈溪市人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 寧波 315300

0 前言

根據(jù)消毒供應(yīng)中心管理規(guī)范，在對器械等物品進行手工或清洗機清洗時，須使用自來水以及純水。為了滿足要求，需配備水處理系統(tǒng)，提供合格用水。我院原先使用一臺國產(chǎn)水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為早期產(chǎn)品，出水量小，需手工啟停；另外由于供應(yīng)室用水的特點，用水高峰和低谷的用水量相差很大，而原水處理不論用水量大小，水泵均以工頻運行，用水低谷時造成水資源及電能的浪費，高峰時則水壓明顯下降，造成清洗機欠壓報警。

為此，在原水處理機基礎(chǔ)上，增加純水水箱、純水泵及恒壓控制系統(tǒng)，以適應(yīng)供水要求。依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，實現(xiàn)純水泵電動機無級調(diào)速，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，并采用純水循環(huán)供水，消除系統(tǒng)供水死角，保證系統(tǒng)清洗、消毒無死角，提高供水的質(zhì)量。

1 控制原理

恒壓控制系統(tǒng)原理，見圖1。系統(tǒng)主要由人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、配電裝置等組成。用戶可以通過觸摸屏設(shè)置水壓、了解和控制系統(tǒng)的運行。

PLC利用液位傳感器測定純水水箱內(nèi)的蓄水量，根據(jù)水箱的高、低水位信號，再由傳感器直接送給PLC，控制進水電磁閥及水處理機的啟閉，以保持水量恒定，同時系統(tǒng)可在空閑及上班前提前生產(chǎn)純水，儲存于水箱中，緩解水處理機出水量不足的矛盾。

工作時，通過安裝在出水管上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20 mA信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運算與PLC給定的壓力參數(shù)進行比較，輸出運行頻率到變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，達到恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

當(dāng)變頻器故障時，PLC通過接觸器將水泵切換為工頻運行。

圖1 恒壓控制系統(tǒng)原理圖

2 水泵

水泵采用三相異步電動機，從理論上可知電機的轉(zhuǎn)速n與供電頻率f有以下關(guān)系：

式中，p-電機極數(shù) ， s-電機滑差率。

由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速n。為了避免降低頻率后磁通過大，磁回路飽和，使電機電流增大，嚴(yán)重時燒毀電機，所以在改變電源頻率的同時需控制電源電壓。

3 變頻器

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，以電壓均可控制的交流電供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。

變頻器有V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式[1-3]。其中，V/f控制是在改變電機電源頻率的同時改變電機電源電壓，使電機磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電機的功率不下降。V/f控制為轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，無需速度傳感器，電路比較簡單，使用標(biāo)準(zhǔn)的三相異步電動機，通用性較強，性價比較高，常用于通用變頻器上，這類變頻器主要用于風(fēng)機、水泵的調(diào)速（調(diào)速精度要求不高的場合）功能。

變頻器在工頻（50 Hz）以下和以上工作時的情況：

（1）變頻器頻率f＜50 Hz時，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。但其主要缺點是低速時V/f控制已不能保持電機磁通恒定，電機磁通的減小必然造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小，使用V/f控制時，低速性能較差。在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

隨著市場營銷的模式的崛起，我國企業(yè)在市場中面對的挑戰(zhàn)與競爭又更加嚴(yán)峻，在這種條件下，企業(yè)不得不進行改革和創(chuàng)新。依目前的形勢看，企業(yè)加強經(jīng)濟管理已經(jīng)成為持續(xù)發(fā)展的重中之重。市場經(jīng)濟急速發(fā)展，如果企業(yè)不重視經(jīng)濟管理，就不能利用先進的管理模式和技術(shù)手段鞏固企業(yè)的發(fā)展，長此以往，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動極有可能發(fā)生混亂，從而失去市場競爭力。

（2）變頻器頻率f＞50 Hz時，為恒功率調(diào)速。當(dāng)變頻器輸出頻率f從50 Hz以上增加時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩會減小，由于調(diào)速時所需的功率隨轉(zhuǎn)速增長過快，所以通常不應(yīng)使水泵超工頻運行。

考慮以上因素，變頻器選用V/f控制，并設(shè)置變頻器工作頻率上限為工頻為50 Hz，下限設(shè)置為10 Hz，滿足泵的轉(zhuǎn)速的變化。

4 PID調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器可采用以下控制形式[4-10]：

（1）軟件型。使用離散形式的PID控制算法，在可編程序控制器上實現(xiàn)PID控制，但需配置模擬量模塊，成本高，且編程、調(diào)試復(fù)雜。

（2）硬件型。通用PID溫控器。其操作簡單，成本較低，但調(diào)節(jié)過于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差。

（3）內(nèi)置型PID。變頻器內(nèi)置PID控制功能，其優(yōu)點是成本低，控制性能較好，設(shè)置的參數(shù)少，接線工作量較少，且抗干擾性最好。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)電氣原理簡圖，見圖2。

變頻器選用ABB ACS510，可簡化PLC配置、編程。ABB ACS510內(nèi)置Modbus RTU協(xié)議，通過 RS485通訊接口與PLC通訊。

由于ABB ACS510內(nèi)置Modbus RTU協(xié)議，要求通過RS485接口通訊，而FX3G的PLC雖然可加裝擴展的485通訊板，但沒有專門的MODBUS模塊，因此必須對MODBUS深入了解，才能解決數(shù)據(jù)編碼、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗、超時處理和出錯重發(fā)等一系列問題。它的一條簡單的變頻器操作指令，要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣。

Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開發(fā)，包括ASCII、RTU、TCP等，支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備[11-13]。它是一種基于主/從結(jié)構(gòu)的開放式串行通訊協(xié)議，此協(xié)議定義了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，可非常輕松地在所有類型的串行接口上實現(xiàn)。Modbus RTU消息幀包括：[設(shè)備地址][功能代碼][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]。Modbus支持的部分功能碼，見表1。

表1 Modbus支持的功能碼

變頻器控制選用PID宏控制。首先將電機銘牌上的數(shù)據(jù)：額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定功率輸入變頻器，并選用PID控制宏，設(shè)置其他參數(shù)，如啟停信號源、PID調(diào)節(jié)器給定值和反饋值選擇、通訊參數(shù)等。工作時，PLC通過RS485與變頻器通訊，設(shè)置、讀取參數(shù)，并通過Y0控制變頻器啟動、停止，通過X0、X1讀取變頻器啟動及報警信號。P1為水壓傳感器，將壓力信號變成4～20 mA信號送入變頻器PID模塊，與給定壓力參數(shù)進行比較，輸出運行頻率到變頻器，進而控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，達到恒壓供水。X2、X3為水箱高、低液位信號輸入端，PLC根據(jù)該信號及定時設(shè)置輸出至Y1控制進水電磁閥，Y2、Y3用于啟停水處理機增壓泵和高壓泵。

6 系統(tǒng)優(yōu)點

由PLC和變頻器等組成的恒壓供水控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了可靠的內(nèi)置式PID運算模塊，可自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)充分利用原有水處理系統(tǒng)，節(jié)約經(jīng)費，且操作方便、運行可靠。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

（1）節(jié)能。對于離心風(fēng)機、離心水泵這類負(fù)載，功率消耗與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，即：N=Kn3（N為水泵消耗功率；K為比例系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速）。水泵是按工頻運行時設(shè)計的，但除用水高峰外，大部分時間流量較小，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。

（2）由于水泵工作在變頻工況，當(dāng)出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

（3）水泵電動機采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。

（4）具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定可靠，也延長了電機的使用壽命。

（5）恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。

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