PLC變頻調速恒壓供水系統

PLC變頻調速恒壓供水系統由變頻器、PLC和兩臺水泵構成。閉環自動調節恒壓供水是通過 PLC 控制變頻與工頻切換實現的。該系統具有壓力穩定，結構簡單，工作可靠等優點。

社會經濟的發展以及人民生活水平的提高，人們對供水的質量與供水系統的穩定性也有了更高的要求，設計與選用高性能且適應廣的恒壓供水系統成了當今的發展趨勢。利用 PLC，運用不同功能的傳感器和網管的壓力，變頻器進而對水泵的速度進行調節，達到水管中的壓力保持在一定的范圍。

一、控制電機變頻調速系統的構成

PLC、變頻器、電機及電機測速系統共同構成了PLC 控制電機變頻調速系統。

二、PLC 變頻調速恒壓供水系統

供水泵組由PLC 與變頻調速技術控制。變頻調速系統的一個特殊應用即恒壓供水系統。它具有效率高、控制效果好的優點。

1、PLC 變頻調速恒壓供水系統的工作原理

恒壓供水系統工作原理圖

壓力檢測轉換裝置、控制系統和水泵共同構成了這個供水系統。管網的實際壓力與給定壓力進行比對，管網壓力不足時，水泵轉速在變頻器增大輸出頻率的情況下，就會加快，管網壓力在供水量的壓力下就會上升。同樣，供水量減小致使水泵轉速減慢，管網壓力相對下降，供水就會保持在恒定狀態。變頻器的輸出頻率通過壓力檢測轉換裝置對管道壓力進行檢測，檢測到的信號會轉換成0-5伏或4-20毫安的電信號，調節器通過運算并與設定值進行比較后，進行控制變頻器。通過水泵的轉速來調節管道的水壓在系統的控制下達到恒定。同時，變頻器具有軟啟動的功能，對電機有一定的保護功能。平滑無擾動切換和控制的實現，是因為變頻器輸出頻率受到了檢測。

2、PLC 變頻調速恒壓供水系統的硬件構成

中心控制裝置由壓力傳感器、PLC 和變頻器組成，所有功能均能實現。管網干線上的壓力傳感器對管網的水壓進行檢測，同時把壓力轉化為4-20毫安的電流信號，發送至PLC 與變頻器。水泵電機的控制設備就是變頻器，它能將0-5赫茲的頻率信號，根據水壓恒定的需要，傳送給水泵電機，對它的轉速進行調整。泵站供水的實際情況與需求，應該有三臺水泵并用一臺變頻器，不僅要改變水泵電機的轉速，而且水壓的恒定也需要增減運行泵的臺數進行維持，因為運行泵不能達到恒壓的要求時，下一臺水泵就要投入運行。壓力在變頻器輸出頻率降至最小后依然過高，就要停止一臺運行泵，這就要求不僅對開關量進行控制，還要對數據進行處理。PLC 自動采樣，將模擬量轉換為數字量，放在數據寄存器中，通過數據處理指令調用，數據接觸器隨時接受指定的數據。壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號，都可以通過它被轉換成數字量，提供給PLC，同時與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限進行比對，從而泵的切換與轉換的變化可以實現。水泵在變頻器和工頻電網之間的切換過程在系統進行設計時就應該提高其速度，從而保證水能連續供應，盡可能減小水壓的波動，使供水的質量提高。同時，硬件上必須設置閉鎖保護防止故障的發生。

三、變頻恒壓供水系統控制流程

接收到有效的自控系統啟動信號，系統通電啟動變頻器，變頻泵M1開始工作，變頻器的輸出頻率通過由壓力變送器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差，進行調節，進而控制Ml的轉速，供水量與用水量相平衡時，轉速就會穩定在這個定值狀態。

壓力變送器在用水量增加水壓減小時，就會反饋水壓減小信號，進而PLC的輸出信號因偏差變大而變大，繼而變頻器的輸出頻率變大，水泵的轉速與供水量就會增大，這時水泵的轉速就會達到一個新的穩定值。同樣道理，水泵的轉速在用水量減少水壓增加時，壓力閉環又會出現一個新的穩定值。

用戶管網的實際壓力，在用水量繼續增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，系統在變頻循環式的控制方式下，將在PLC的控制下自動投入水泵M2，同時變頻泵M1做工頻運行，系統恢復對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，滿足增加水泵的條件，將繼續發生如上轉換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統就會發出水壓超限報警。

系統在用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，工頻泵M2將被關掉，恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值。如上轉換在用水量繼續下降，并且滿足減少水泵的條件時，將會繼續發生，將另一臺工頻泵M3關掉。

四、水泵切換條件分析

50赫茲成為頻率調節的上限頻率，是因為電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制。同時，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0赫茲。然而，變頻器的輸出頻率在實際應用中，是不會降到0赫茲的。當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩。在一定程度上，水壓會阻止源水池中的水進入管網，所以，水泵在電機運行頻率下降到一個值時，就不會抽出水。同時，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。水泵在電機運行頻率下降到抽不出水時的值，就是電機運行的下限頻率，一般在20赫茲左右。選擇50赫茲和20赫茲作為水泵機組切換的上下限頻率，就是這個原因。

供水壓力在輸出頻率達到上限頻率時，在設定壓力上下波動。當設定壓力大于反饋壓力時，機組就會進行切換。供水壓力在增加了一臺機組運行時，就會快速超過設定壓力。特殊情況下，實際供水壓力在運行組增加后，就會超過設定供水壓力，這時在變頻器的下限頻率運行的新增加機組，達到了機組切換的停機條件，工頻狀態下運行的機組有一個會停掉。這種情況會導致系統經常處于不穩定狀態，增大了機組的切換頻率。相應的判別條件在實際應用中是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，增加了回滯環的應用和判別條件的延時成立。

五、系統軟件設計分析

工作泵組數量管理分析。啟動第二臺水泵是為了恒定水壓。一臺水泵水壓降落，變頻器的輸出頻率升高，不能滿足恒壓時，就會啟動第二臺水泵。變頻器的輸出頻率達到設定的上限值是啟動下一臺水泵的前提。

泵組管理規范。只有制定了管理規范，才能實現各臺水泵必須交替使用以及軟啟動電動機。一臺泵連續變頻運行不得超過3小時，就應進行切換變頻泵。現行運行的變頻器從變頻器上切除，同時接上工頻電源運行，變頻器復位并用于新運行泵的啟動，并實行泵的工作循環控制。

變頻調速恒壓供水系統不僅具有節能和安全的特點，而且能夠提供高質量的水。同時，運用PLC 作為控制器，降低了成本，實現了水泵電機無級調速，系統的運行參數能夠依據用水量的變化進行自動調節，進而通過保持水壓的恒定，在用水量發生變化時滿足供水的需求。

（作者單位：山東水利職業學院）