PLC與變頻器在水塔水位控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究

王 濱，何周亮

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PLC與變頻器在水塔水位控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究

王 濱，何周亮

（江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，江西 萍鄉(xiāng) 337042）

文章探討了在傳統(tǒng)高層水箱供水的基礎(chǔ)上，加入PLC、變頻器、壓力變送器和傳感器等設(shè)備，用西門子S7-200PLC對(duì)傳統(tǒng)的繼電器控制電路進(jìn)行改造和設(shè)計(jì)，使控制電路更加簡(jiǎn)單。采用變頻器控制水泵電機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行與工頻運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能的目的；用傳感器控制電磁閥和變頻器的運(yùn)行與停止，為供水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制提供了技術(shù)支持，使各器件之間的控制相互協(xié)調(diào)。在硬件基礎(chǔ)上配合軟件解決了供水系統(tǒng)在不同時(shí)間供水量波動(dòng)時(shí)保持恒壓供水的問題．

PLC；變頻器；恒壓供水；自動(dòng)化控制

在高層建筑的樓頂都會(huì)安裝水塔或水箱來滿足用戶正常的用水，在高層建筑的地下修筑水槽，以此來儲(chǔ)存自來水公司提供的水源，并通過水泵向高層建筑的水箱提供水源[1]．變頻器是交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的三相交流電來驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，從而使電動(dòng)機(jī)調(diào)速，目前，技術(shù)和功能日趨完善．PLC是一種基于微處理器技術(shù)上發(fā)展起來的通用工業(yè)控制裝置，具有強(qiáng)大的功能，操作簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用廣泛．本研究將PLC與變頻器相結(jié)合進(jìn)行水塔水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析．

1 PLC與水塔水位控制系統(tǒng)

1.1 水塔水位控制系統(tǒng)圖與控制要求

水塔水位控制系統(tǒng)由地下水槽和高層水箱等部件組成，其中進(jìn)水閥門Y用來控制地下水槽的進(jìn)水，指示燈用來指示電磁閥的工作狀態(tài)，M為水泵電機(jī)，由變頻器驅(qū)動(dòng)，SP是壓力變送器，用來檢測(cè)高層水箱的壓力，S代表水位傳感器，用來檢測(cè)高層水箱和地下水槽的水位，如圖1所示．

圖1 水塔水位控制系統(tǒng)圖

水塔水位控制系統(tǒng)接通電源后，電磁閥門Y打開，指示燈亮起，若經(jīng)過6 s后，水槽中的水位傳感器S5沒有感應(yīng)到水，電磁閥門Y的指示燈就會(huì)閃爍，說明進(jìn)水管中無水，提示工作人員要巡視一下管路．如果進(jìn)水管中有水，那么過一段時(shí)間后，水位傳感器S3會(huì)感應(yīng)到水，此時(shí)電磁閥門Y就會(huì)斷電關(guān)閉，防止水從水槽中溢出．假如水位傳感器S4感應(yīng)到水與水位傳感器S2沒感應(yīng)到水的條件成立，那么交流接觸器KM就會(huì)通電吸合，使變頻器驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)工作，把水槽中的水抽到高層水箱中去．若干時(shí)間后，水位傳感器S1會(huì)感應(yīng)到水，就會(huì)使變頻器斷電，水泵停止工作，以此防止高層水箱溢水．

1.2 PLC外部接線圖與梯形圖

為了達(dá)到該系統(tǒng)的控制要求，擬采用西門子S7-200PLC對(duì)水塔水位控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，PLC設(shè)備的外部接線圖和梯形圖分別如圖2和圖3所示．

從梯形圖中可以看出，設(shè)備通電后，電磁閥Q0.1打開，指示燈Q0.3亮起，表示進(jìn)水管開始向地下水槽中注水，若6 s后，水位傳感器I0.5沒有感應(yīng)到水，I0.5就會(huì)一直處于閉合狀態(tài)，定時(shí)器T33就會(huì)使Q0.2通電，從而使SM0.5產(chǎn)生的脈沖驅(qū)動(dòng)指示燈閃爍．如果水位傳感器I0.3感應(yīng)到水，I0.3的常閉觸點(diǎn)就會(huì)斷開，切斷電磁閥QO.1和指示燈Q0.3的電路．圖中只有當(dāng)水位傳感器I0.4感應(yīng)到水閉合后，變頻器Q0.0才會(huì)工作，當(dāng)高層水箱中的水接觸到水位傳感器I0.2的時(shí)候，I0.2的常閉觸點(diǎn)斷開，由變頻器Q0.0的常開觸點(diǎn)閉合來維持Q0.0線圈的通電．若高層水箱中的水接觸到水位傳感器I0.1，I0.1的常閉觸點(diǎn)就會(huì)斷開，變頻器Q0.0就會(huì)斷電．

圖2 PLC設(shè)備的外部接線圖

圖3 梯形圖

２ 變頻器與水塔水位控制系統(tǒng)

為了能把水槽中的水及時(shí)送到高層水箱中，保證用戶正常的用水壓力和流量，達(dá)到恒壓供水的目的，在這里采用1臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)3臺(tái)水泵電機(jī)工作．具體如圖4所示．圖中交流接觸器KM用來控制變頻器的運(yùn)行與停止，交流接觸器1KM2、2KM2、3KM2分別控制3臺(tái)水泵電機(jī)的變頻運(yùn)行，交流接觸器1KM3、2KM3、3KM3分別控制3臺(tái)水泵電機(jī)的工頻運(yùn)行，F(xiàn)R是熱過載繼電器，用來防止水泵電機(jī)過載運(yùn)行，壓力變送器SP的信號(hào)與變頻器的反饋信號(hào)輸入端VPF（電壓信號(hào)）連接，電位器RP調(diào)節(jié)目標(biāo)信號(hào)的大小．

工作過程如下：

當(dāng)水位傳感器S4感應(yīng)到水與水位傳感器S2沒感應(yīng)到水的條件成立，那么交流接觸器KM就會(huì)通電吸合，使變頻器起動(dòng)第1臺(tái)水泵電機(jī)工作，假如工作頻率達(dá)到50HZ，壓力變送器SP測(cè)得管道水壓不足時(shí)，變頻器就會(huì)把第1臺(tái)水泵電機(jī)切換為工頻運(yùn)行，然后去起動(dòng)第2臺(tái)水泵電機(jī)，使供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一工一變”的運(yùn)行方式．假如第2臺(tái)水泵電機(jī)的頻率達(dá)到50HZ，壓力變送器SP測(cè)得管道水壓仍然不足時(shí)，變頻器就會(huì)把第2臺(tái)水泵電機(jī)切換成工頻運(yùn)行，然后去起動(dòng)第3臺(tái)水泵電機(jī)，使供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“二工一變”的運(yùn)行方式．

圖4 變頻器與水泵電機(jī)控制圖

如果此時(shí)用戶人數(shù)減少，壓力變送器SP測(cè)得管道水壓過高，變頻器就會(huì)令第一臺(tái)水泵電機(jī)停止工作，供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“一工一變”的運(yùn)行方式，若壓力變送器SP測(cè)得管道水壓仍然過高，變頻器就會(huì)令第2臺(tái)水泵電機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)水泵電機(jī)的變頻運(yùn)行方式．

供水系統(tǒng)采用變頻器控制水泵電機(jī)，可以達(dá)到節(jié)能效果，徹底消除水錘效應(yīng)，防止水壓對(duì)管道和閥門的損害，延長(zhǎng)水泵壽命[2]．

由PLC、變頻器、水泵電機(jī)、壓力變送器和傳感器等設(shè)備組成的恒壓供水裝置具有控制精度高，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的自動(dòng)化調(diào)節(jié)和水位報(bào)警功能．雖然在理論中基本上達(dá)到了預(yù)期的效果，但是在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中，還需要注意很多地方，還要不斷地進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，其理論意義對(duì)于大型水庫(kù)、水壩的水位控制，工業(yè)某液面的控制等都有相當(dāng)高的參考價(jià)值[3]．

[1] 鄔麗娜．基于PLC的水塔水位控制設(shè)計(jì)[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2007（5）：171-172．

[2] 郭志偉．PLC與變頻器在水塔水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]．科學(xué)與財(cái)富，2015（4）：128-129．

[3] 陳娟，陳志強(qiáng)．PLC在水塔水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)．2003（4）：348-350．

[4] 天煌教儀THSMS-A型實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書．29-31．

[5] 廖常初．S7-200PLC基礎(chǔ)教程[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2009：74-78．

[6] 石秋潔．變頻器應(yīng)用基礎(chǔ)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社，2002：111-114．

Design and Application of PLC and Frequency Converter in Water Tower Water Level Control System

WANG Bin, HE Zhouliang

（）

On the basis of traditional water supply of high water tank, this paper expounds that Siemens s7-200 PLC is used to modify and redesign the traditional relay control circuit. The equipment of PLC, inverter, pressure transmitter and sensor are added to make the control of the circuit easier. The frequency converter is used to control the variable frequency regulation and frequency operation of the pump motor. Thus, energy conservation is achieved. A sensor is used to control the operation and suspension of the electromagnetic valve and frequency converter, which provides technical support and help for the automatic control of the water supply system. The control between the devices is coordinated, and the problem of maintaining the constant pressure of the water supply system when the water supply fluctuates at different times is solved with the help of both hardware and software.

PLC; converter; constant pressure water supply; automatic control

10.13899/j.cnki.szptxb.2019.01.005

2018-04-02

王濱（1978-），男，江西萍鄉(xiāng)人，高職實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電氣控制技術(shù)與電子制作技術(shù)等．

TM925.33

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1672-0318（2019）01-0026-03