基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計

游中國

（南充職業(yè)技術學院，四川　南充　637131）

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計

游中國

（南充職業(yè)技術學院，四川南充637131）

【摘要】本文以西門子S7-200可編程控制器為基礎，分析了變頻調速技術在恒壓供水系統(tǒng)中的應用，提出基于PLC的變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的設計方案，并介紹了系統(tǒng)組成及控制原理，供讀者參考。

【關鍵詞】S7-200；變頻調速；恒壓供水

隨著社會的快速發(fā)展，高層建筑越來越多，對建筑物內用戶供水的可靠性和穩(wěn)定性的要求也越來越高。一些傳統(tǒng)的供水方式（如：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等）都不同程度的存在能耗高、可靠性差、自動化程度低等缺點，對住戶的正常用水帶來不利的影響。例如：用水高峰供量不足，用水低谷又供大于求，供水壓力不穩(wěn)定；特別是在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態(tài)，嚴重時可能引起水管破裂和設備損壞。

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，可以根據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，并作用于變頻器對水泵轉速實現(xiàn)無極調節(jié)，從而維持管網水壓的恒定，不光滿足了用戶對供水的需求，還能有效減小供水水壓對管網系統(tǒng)和供水設備的沖擊，同時也實現(xiàn)了顯著節(jié)能的目的。另外，獨立的封閉水箱，可實現(xiàn)對自來水的二次凈化和消毒，以保證飲用水的水質安全。

1　控制原理

圖1　恒壓供水系統(tǒng)框圖

如圖1所示，基于PLC的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是由可編程控制器、變頻器、壓力變送器和水泵機組等主要設備組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過安裝在用戶供水管道上的壓力傳感器檢測當前管網出水壓力，并將壓力檢測值信號反饋至PLC，PLC根據(jù)經A/D轉換后的壓力檢測值和給定值之間的偏差進行PID運算，再將經D/A轉換后的信號送入變頻器，用于調整電源輸出頻率，從而調整水泵電機的轉速，進而改變供水量，最終使管網供水壓力穩(wěn)定在設定值附近，實現(xiàn)恒壓供水。

2　PLC控制系統(tǒng)設計

2.1主電路圖設計

系統(tǒng)的主電路如圖2所示。電機M 1～M 3分別拖動3臺水泵。接觸器KM 1、3、5分別控制3臺電機的工頻運行；KM 2、4、6分別控制3臺電機的變頻運行。必須指出，控制同一臺電機工頻運行和變頻運行的兩個回路不允許同時接通，即接觸器KM1和KM 2、KM3和KM 4、KM 5和KM6之間必須有可靠的互鎖。

圖2　系統(tǒng)主電路圖

為了維持管網水壓恒定，三臺水泵中需要有一臺水泵處于變頻運行方式，用以根據(jù)用水量的實時變化改變電機轉速。當用水量很大，變頻工作的水泵已工作于上限頻率（50Hz），而管網實際水壓仍低于設定值時，就需要新增水泵來提高供水流量，此時應先將變頻器從原來的水泵電機中脫出，并將該水泵切換為工頻恒速運行，同時用變頻器去拖動新增水泵電機，使其處于變頻運行狀態(tài)，以達到恒壓供水的目的；反之，當用水量很小，變頻工作的水泵已工作于下限頻率（15Hz），而管網實際水壓仍高于設定值時，應將最先投入運行的水泵電機切除，并停止工作，從而降低供水流量，以達到恒壓供水的目的。

2.2PLC的外部接線設計

系統(tǒng)的輸入點數(shù)為5個，其中數(shù)字量輸入點4個、模擬量輸入點1個。數(shù)字量輸入點I0.0接火災觸發(fā)信號開關SA1；I0.1接液位變送器送入的水池水位超限報警信號SLHL；I0.2接變頻器的故障報警輸出信號SU；I0.3接試燈按鈕SB7，用于手動檢測各指示燈是否能正常工作；擴展模塊EM235的模擬量輸入點AIW0接受壓力傳感器送入的管網供水壓力。

系統(tǒng)還有11個輸出點，其中包括10個數(shù)字量輸出點和1個模擬量輸出點。數(shù)字量輸出點Q0.0～Q0.5分別連接接觸器KM 1～KM 6的線圈，控制三臺水泵的工頻/變頻運行；Q1.0接水位超限報警；Q1.1接變頻器故障報警；Q1.2接報警電鈴；Q1.3接變頻器復位控制繼電器線圈；擴展模塊EM 235的模擬量輸出點AQW0用于輸出變頻器的運行頻率。

實際應用中，考慮到I/O點需留有一定的裕量，以備系統(tǒng)調整和擴展使用。因此，本系統(tǒng)選用了西門子S7-200系列PLC中的CPU226CN（24DI/16DO）作為主機，EM 235（4AI/1AO）作為模擬量擴展模塊。

2.3PLC的控制程序設計

在恒壓供水系統(tǒng)中，由于PLC承擔的控制任務較多，加之又需要對模擬量處理、PID運算以及中斷控制等功能進行編程，程序較為復雜。因此，通過主程序、子程序和中斷程序的結構來完成控制系統(tǒng)各個單元功能是合理的選擇。其中，主程序的功能最多，如：水泵切換信號的生成、報警處理等；子程序完成系統(tǒng)的一些初始化工作，以節(jié)省掃描時間，如：變頻運行上下限頻率的設定、PID參數(shù)的初始化等。定時器中斷則用以實現(xiàn)PID控制的定時采樣和輸出控制。

另外，程序設計過程中，還應注意以下幾個方面：①水泵增減的實現(xiàn)。通過比較指令實現(xiàn)判斷變頻器的輸出頻率是否達到設定的上下限值，從而確定是否可以增減水泵。實際上，為了判定變頻器達到上下限值頻率的確切性，還應在程序中考慮采取時間濾波的方式（延時判定）濾去偶然的頻率波動引起的偏差。②水泵的工作循環(huán)控制。工頻泵的輪換工作通過工頻泵的總數(shù)加泵號來實現(xiàn)，變頻泵的循環(huán)控制則通過變頻泵泵號加1的方法來實現(xiàn)，從而保證任一臺泵連續(xù)變頻運行不超過3小時。

3　結語

實踐表明，基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)可以大大提高供水的可靠性和穩(wěn)定性，同時變頻調速技術還能使供水系統(tǒng)顯著節(jié)能。因此，本系統(tǒng)在提高供水質量、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

【參考文獻】

［1］張燕賓.變頻調速應用實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］王芹.可編程控制器技術與應用［M］.天津：天津大學出版社，2008.［3］廖常初.PLC編程及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2014.［4］王廷才.變頻器原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

【作者簡介】

游中國（1984～），男，四川安岳人，助教，研究方向：電氣控制技術。