基于PLC的恒壓供水系統設計

施宏偉 李維國

引言：

近幾十年來變頻調速技術在工業化國家已開始了規模的應用。80年代末，我國的民用及工業建筑電氣設計等領域也開始使用變頻調速技術。變頻調速與傳統（如直流電機調速）比較，具有很大的優越性：整個系統體積小，重量輕，控制精度高，保護功能完善，操作過程簡便、可靠性高、通用性強，尤其是該技術用于一些高耗能設備的控制上，具有非常顯著的節能效果。通過對用電設備進行變頻調速技術改造，可使總耗電量減少30%—40%，節能的量級產生了一種飛躍。

變頻供水是從20世紀90年代迅速發展起來的一項供水應用新技術，主要用于水廠、各種類型的生產廠、高層樓宇的供水系統，具有水壓恒定、噪聲小、節能等一系列優點。由于供水系統在運行中流量和水壓在一天中的變化較大，如果使用傳統的電氣控制，設備啟動頻繁，電流和水壓沖擊嚴重及設備維修量大，而且對供水壓力的控制來說也很麻煩，總得人工對水泵進行啟停操作，浪費大，最終還影響供水質量，供水成本也高，而變頻供水的出現使這些問題迎刃而解。

作為應用現代電力電子器件與微計算機技術有機結合的交流變頻調速裝置，隨著產品的開發創新和推廣應用，使得交流異步電動機調速領域發生一場巨大的技術革命。當前自動恒壓供水系統應用的電動機調速裝置均采用交流變頻技術，而系統的控制裝置采用PLC控制器。恒壓供水系統具有標準的通訊接口，可與城市供水系統的上位機聯網，實現城區供水系統的優化控制，為城市供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經濟運行的手段。

一、恒壓供水系統設計方案

（一）恒壓供水系統的組成及工作原理

采用了3臺水泵機組并聯運行供水方式，其中1、2號泵即可變頻又可工頻運行，3號泵只變頻運行；選用專為風機 、泵用負載設計的普通功能型控制方式的三菱變頻器（型號FR-A540-11K-CH），變頻器內置 PID 控制模塊；PLC 選用易于操作的具有I/O點數，16/16的三菱FX2N-32MR；壓力變送器選用普通壓力表 Y-100 和 XMT-I270 數顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。系統設有手動撥碼開關，可分別控制1、2號泵單獨在工頻下的運行與停止，這主要用于定期檢修和突發事件臨時供水。系統有普通生活供水和火災供水兩種工作模式，系統要工作時PLC首先利用變頻器軟啟動1號泵 ，此時裝在管網上的水壓傳感器將實測的管網壓力反饋到變頻器，同預先在變頻器面板設定的給定值進行比較，通過變頻器內部PID運算，調節變頻器輸出頻率，以達到控制電機工作轉速。在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近頻率上限時，PLC通過邏輯運行，將當前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并復位變頻器，再將變頻器切換到下一臺泵，由變頻器軟起動該泵，達到增大供水量目的。當用水量較小時，壓力傳感器檢測到的管網壓力高于給定值時，經過變頻器PID運算后，可關斷工頻運行泵，同時變頻器復位，變頻工作泵號減一，然后由變頻器軟啟動該泵，以降低水壓。這樣根據用水量大小調節投入水泵臺數的方案在全流量范圍內靠變頻泵的連續調節和工頻泵的分級調節相結合，使供水壓力始終保持給定值。

（二）恒壓供水系統其它輔助工作模式

1.水池水位達到下限處理模塊

當水池欠水位時，立即關斷所有工作泵，防止電機空載運行造成損壞，同時啟動報警指示燈，以提醒工作人員做出相應處理。當水位恢復正常滅掉指示燈，由變頻器軟啟動一號泵進入正常運行軌道。

2.變頻器故障模塊

當變頻器故障時，立即關斷所有工作泵，報警電鈴、指示燈均工作。此時我們可以手動分別控制1、2號泵工頻運行，以維持供水。當故障消除，報警電鈴、指示燈停止工作，軟啟動一號泵，變頻運行進入正常軌道。

3.火災模塊

火災時，供水壓力設定值變大，指示燈、報警電鈴工作，此時供水和普通生活供水類似。滅火后，軟啟動一號泵，變頻運行進入生活供水模式，指示燈、報警電鈴停止工作。

二、供水系統組成部件簡單介紹

（一）PLC簡介

可編程序控制器（PLC）主要以計算機的微處理器為基礎，綜合計算機的應用技術、通訊技術以及自動控制技術而發展起來的一種通用控制器。最初，PLC還僅是作為繼電器接觸器控制系統的替代品，而自從進入電氣控制系統領域后，凸顯了其獨有的優越性，以其自身強大的抗干擾能力、自診斷功能、通用性、模塊化結構、安裝簡單、調試方便、維護工作量小、編程語言簡單等特點，提高了電氣控制系統的可靠性，基本解決了普通繼電器及接觸器中常見的故障問題，具有很強優越性，得到普遍適用。

本次恒壓供水系統設計依據要實現的功能選用三菱FX2N-32MR，經過編程軟件測試能很好完成預期功能。

（二）變頻器簡介

PID控制方式是現代工業控制中應用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過控制對象的傳感器等檢測控制量（反饋量），將其與目標值（溫度、流量、壓力等設定值）進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。

1.變頻器工作原理

本次設計選用內置PID模塊的FR-A540變頻器來控制水泵電機的工作，簡單說明：通過對變頻器面板設定的水壓值與壓力傳感器反饋值進行比較，產生偏差，然后由內部PID模塊按預先調節規律進行運算，得出調節量，控制變頻器輸出，從而改變水泵電機轉速，來保持供水管網壓力恒定。

2.變頻器參數設計

輸出額定電流---23A

輸出額定容量---17.5KVA輸出電壓（三相）--380V

（三）壓力傳感器接線圖

此裝置用于檢測供水管網壓力，同時把采集到值送人變頻器，來達到恒壓供水控制要求，

三、系統控制電路設計

（一）系統主電路設計

三臺電動機分別為MI、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制一、二、三號泵的變頻運行；KM2、KM4分別控制一、二號泵工頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺泵電動機過載保護的熱繼電器；QS1、QS2、QS3分別為變頻器和一、二號泵電動機主電路的隔離開關；VVVF為通用變頻器；FU1、FU2、FU3分別為三條線路保護熔斷器；FU4

為引出線熔斷器；QF為主斷路器。

（二）PLC硬件接線電路設計

本次設計選擇輸入、輸出16/16型號PLC進行設計，依據上面設計好的輸入輸出表格，按照PLC硬件接線規則。

四、總結與展望

變頻調速恒壓供水系統具有節能、安全、供水質量高等優點。采用PLC為控制器，硬件結構簡單，成本低，系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統在工業和生活中有很廣闊的應用前景，除了具有明顯的節能效果外，還具有操作方便、容易，維護量小的特點，變頻器的軟啟動功能也減少了對電網的沖擊，使設備運行方式更趨于合理，設備的自動化水平得到提高。總之，采用變頻恒壓供水系統是一種技術先進、經濟實用的選擇。

【參考文獻】

[1] 漆漢宏主編. 《PLC電氣控制技術》.-北京：機械工業出版社.2006.12.

[2]鄭寶林主編.《圖解歐姆龍PLC入門》.-北京：機械工業出版社.2007.2.

[3] 胡學林.可編程控制器應用技術[M].北京： 高等教育出版社.2001.

[4]三菱公司.FX2N編程手冊