PLC和變頻器在恒壓供水系統設計中的應用

摘要：該文闡述了恒壓控制系統結構，用PLC和變頻器實現了對三臺生活泵的邏輯控制及速度控制，可靠性高，抗干擾能力強。在保持恒壓狀態下，達到控制流量的目的。

關鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水系統設計；應用

1.引言

某熱動力廠生活水系統由三臺22KW的生活泵組成。一直采用手動操作模式，分時段切換電機進行供水，嚴重浪費能源，頻繁開停水泵使水泵因負荷突變而縮短使用壽命，使管網經常受到較大的壓力沖擊，不能根據水位及管網需要隨時調節供水量和供水壓力。為使熱動力廠供水實現自動化，根據瞬時變化的用水量，統過PLC和變頻器自動調節水泵的轉速及臺數，來改變水泵出口的壓力和流量，使生活用水壓力保持恒定值。

2.系統結構

圖一：給煤機電動機變頻調速系統的硬件結構

供水系統如圖一所示，P1、P2、P3為三臺生活泵，用于加壓供水，F1、F2、F3為手動閥門，F4、F5、F6為止回閥。正常供水時，F1、F2、F3為開啟狀態，只有在檢修時才關閉。蓄水池內設有液位控制，當蓄水池呢水位過低時，向PLC發送信號使系統停機，以防水泵抽空。在生活泵現場設立現場操作箱進行就地控制，操作箱上設置“手動/自動”切換開關，以提高系統可靠性，當自動控制系統出現故障，生活泵正常運行，不影響生產。

3.恒壓供水原理

圖二：恒壓供水原理圖

本系統以PLC為控制核心，如圖二所示，通過PC機設定所需壓力，利用安裝在出水管網上的遠傳壓傳感器將壓力信號轉換為4—20mA的標準電信號，經過信號處理及由PLC A/D擴展單元變換成數字信號送入PLC，將此數字信號與PC上通過485口傳輸給PLC的設定值進行比較運算，由數字控制PID算法得出調節參量，經PLC的D/A擴展單元變換后送到變頻器，控制變頻器輸出頻率，從而控制水泵電機轉速，使管網壓力與給定壓力一致。

4.系統硬件設計

4.1.系統主電路設計

圖三為恒壓供水系統主電路圖，采用了一臺22KW的ABB公司的ACS510系列變頻器作為控制系統的核心，采用5SJ63D斷路器及3TB40交流接觸器作為主要電氣元件。交流接觸器KM1、KM3、KM5分別控制水泵電機M1、M2、M3工頻運行，交流接觸器KM2、KM4、KM6分別控制水泵電機M1、M2、M3變頻運行。電機的工頻運行和變頻運行由PLC程序控制或手動切換。主電路圖如圖三所示。

圖三：系統主電路圖

4.2.系統控制電路設計

控制電路采用Siemens公司生產的S7-200作為控制核心，主機單元CPU222有八個輸入點，六個輸出點，擴展單元EM222有八個輸出點，模擬單元EM235有四個輸入點，一個輸出點。PLC系統中，有水壓和水位兩路模擬信號輸入和控制變頻器一路模擬量輸出，輸入的開關量有接觸器狀態，閥門位置、故障信號、手動按鈕等信號，輸出的開關量有水泵變頻、工頻、電動閥全開、全關等接觸器控制信號。圖四為1#生活泵電動機控制回路。

圖四：M1泵控制電路圖

5.系統軟件設計

3臺水泵中，最多只有兩臺泵同時運行，且只有一臺泵在變頻調速器的控制下變頻運行。當恒壓供水設備啟動后，PLC首先接通變頻接觸器，給變頻器供電并軟啟動電動機M1，并調速運行，當用水量大于M1的最大供水量時，壓力傳感器檢測到壓力信號總是小于壓力設定值，此時PLC輸出開泵信號，把運轉中的變頻水泵切換成工頻水泵，然后把變頻器輸出端接通下一臺水泵，并調速運行，依次類推。在自動運行過程中，水泵自始至終軟啟動，先啟動先停止，循環運行，保證每臺水泵平均工作時間相同。

通過安裝在水池的浮球水位計把水位變為電信號，經信號處理，由PLC輸出選通信號把水位信號送入A/D擴展單元進行模數轉換，然后由PLC讀入，并與設定的低水位值比較。

6.監控系統設計

監控系統由MCGS組態軟件設計開發，能實現實時監視閥門、水泵的運行狀態和相關數據，讀出水壓及流量、閥門的開度、水池水位等參數，并有各種報警實時顯示和記錄。PC采用研華IP610，系統平臺為windows2000，考慮到距離較遠，PC與PLC之間選用RS485通訊方式。

7.結束語

采用變頻調速恒壓供水系統，消除原有系統供水管網經常出現的超壓或低壓，有利于延長管網的壽命，降低管網、閥門等損壞的發生率，用一臺變頻器實現了三臺水泵的軟啟動，消除了啟動電流對電機及電網的沖擊，從而減少了設備損耗，延長了水泵、電機設備的使用壽命，且使系統實現了高效節能。

參考文獻：

[1]汪曉光，孫曉瑛等.可編程序控制器原理及應用（第2版）.北京：機械工業出版社，2001

[2] 常斗南.可編程序控制器原理、應用、實驗. 北京：機械工業出版社，2002

作者簡介：仵征 河南周口人，男，研究生，講師，研究方向：機電一體化方面的教學與研究