基于PLC的恒壓供水系統的設計

吳仁君

摘? ?要：本文設計一套基于三菱FX-3U系列PLC 控制的恒壓供水系統。該恒壓供水系統，采用一臺三菱A700的變頻器控制三臺水泵循環運行，以管網的實際壓力為控制對象，實時采集管網壓力，通過三菱模擬量模塊傳輸給PLC，使用PID 調節器形成閉環恒壓變頻控制系統，來控制變頻器頻率的改變輸出，以此來調節水泵電機的轉速，使管網的實際壓力維持在預設壓力值。調試結果表明，當管網壓力達到1.2MPa時，變頻器輸出頻率為61Hz，三臺電機都處于變頻運行，此時調節水壓是最穩定的。實驗表明，該系統具有結構簡單、壓力輸出穩定，節能等優點。

關鍵詞：PLC? 變頻器? PID調節? 恒壓供水

中圖分類號：TD63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0085-03

Abstract： This paper designs a set of constant pressure water supply system based on Mitsubishi fx-3u series PLC. In the constant pressure water supply system， a Mitsubishi A700 frequency converter is used to control the circulation operation of three water pumps. Taking the actual pressure of the pipe network as the control object， the pressure of the pipe network is collected in real time， transmitted to PLC through the Mitsubishi analog quantity module， and PID regulator is used to form a closed-loop constant pressure frequency conversion control system to control the frequency change output of the frequency converter， so as to regulate the rotation speed of the pump motor and make the pipe The actual pressure of the network is maintained at the preset pressure value. The experiment shows that the system has the advantages of simple structure， stable pressure output and energy saving.

Key Words： PLC; Frequency converter; PID regulation; Constant pressure water supply

傳統的自來水廠供水是由若干臺水泵組成的，工人根據各時間段的用水量手動調整工作水泵的數量。隨著我國經濟的發展，建筑技術水平的提升，建筑樓層越來越高，高樓層供水的問題越來越重要，水壓不穩定時有發生。傳統的供水方式一般采用高層蓄水、水泵恒速加壓等。存在供水的效率比較低，自動化程度較低，系統可靠性較差，尤其是在用水高峰期時出現高層用戶水壓不夠，無法正常用水的現象。

因此，本文設計一套基于三菱FX-3U系列 PLC控制的，結合PID調節器，并采用三菱變頻器調節水泵電機的轉速來保持管網壓力恒定的自動控制恒壓供水系統。本系統能夠實現手動和自動多種操作方式的恒壓變頻供水系統。系統設計目的是通過自動控制系統改善供水系統傳統調控中的調控效率低、可靠性差、成本高的問題，降低能源的消耗，提升效率。

1? 系統總體設計

變頻恒壓供水的基本思路是采用變頻調速技術，通過壓力傳感器和壓力控制系統，把管網的實際壓力的變化情況轉換成標準的電信號（過程變量），再把這個電信號輸入到具有PID調節功能的控制器（PLC或智能儀表等），與控制器的設定值進行PID計算后，輸出標準的電信號作為變頻器的調節信號，進行變頻調速，對泵的運行速度進行控制，達到恒壓供水的目的[1]。圖1描述了這一過程。

該恒壓供水系統由PLC控制器、A/D模擬量模塊、觸摸屏、繼電器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、三相異步電動機、壓力罐、閥門等組成。系統流程圖如圖2所示。

2? 系統硬件設計與實現

（1）主電路。

本文設計的控制系統由一臺變頻器控制3臺水泵電機工作，當控制系統處于自動控制模式時，水泵只能通過變頻電源工作，此時由接觸器KM2、KM4、KM6控制電機的啟停;當處于手動控制模式時可以通過工頻電源運行，此時由接觸器KM1、KM3、KM5控制電機的啟停。3臺水泵電機分別通過接觸器與變頻器的輸出電源相連接，每臺水泵電機都具有熱繼電器實現過電流保護的功能。系統主電路如圖3所示。

（2）控制電路。

系統的自動控制功能是通過PLC控制器實現的，模擬量模塊實現壓力的采集和設置，并輸出模擬量控制變頻器的頻率，變頻器控制3個水泵電機運轉的速度，從而控制管網的壓力。系統控制電路圖如圖4所示。

3? 系統軟件設計

本文設計應用三菱FX-3U型PLC完成系統整體程序設計，程序主要由手動程序和自動程序兩部分組成。系統流程圖如圖5所示。

手動模式下，可以利用按鈕控制各臺水泵在工頻狀態的啟動和停止;

自動模式下，設定PUMP1為變頻泵，進行PID調節實驗。系統投入運行后，首先PUMP1投入變頻運行，當反饋壓力低于設定壓力（變頻器一直運行在50HZ）時，5S后PUMP2投入工頻運行，此時變頻器的頻率隨PLC的調節，頻率下降，如果此時反饋壓力仍低于設定壓力（變頻器一直運行在50Hz），5S后啟動PUNP3進入工頻運行狀態，直到反饋壓力與達到設定壓力值;變頻運行過程中，調節出水閥門，使遠傳壓力表的壓力恒定在預期設定值。當3臺水泵均處于運行狀態后，漸漸關閉調節閥1，使用水量減少，水泵PUNMP3首先自動切除，隨著調節閥2繼續關閉，BUMP2自動切除，直到PUMP1自動調節到調解閥1完全關閉為止。

PID調節過程中，用一組0-5V的可調直流電源設定預期工作壓力;變頻運行過程中，調節出水閥門，使遠傳壓力表的壓力恒定在預期設定值。當3臺水泵均處于運行狀態后，漸漸關閉調節閥1，使用水量減少，水泵PUNMP3首先自動切除，隨著調節閥2繼續關閉，BUMP2自動切除，直到PUMP1自動調節到調解閥1完全關閉為止。

以晚高峰，用水量非常大，需要3臺水泵全部運行進行舉例分析。首先PUMP1泵工頻運行，當用水需求量增大時，如PUMP1泵頻率達到50Hz，水壓還是不足，則延時30s后，將PUMP1泵設為工頻運行。同時，將PUMP2泵設置為變頻運行，逐步提高輸出頻率，當PUMP2泵頻率達到50Hz，水壓依然不足，則延時30s后，將PUMP1、PUMP2兩個泵都設置為工頻運行，同時，將PUMP3泵設置為變頻運行。相反，當用水量減小時，各水泵逐漸停止工頻運行[9]。

4? 結語

本文設計的恒壓供水系統，是基于PLC和變頻器的閉環恒壓變頻供水系統。該系統利用PLC和變頻器對供水系統進行邏輯控制和壓力調節，使用PLC調節器進行運算得到調節參數，從而實現變頻和工頻之間的切換，自動調整水泵電動機的轉速和水泵電動機投入的臺數，實現了恒壓供水。實驗結果表明，該系統結構簡單、起動平穩、壓力穩定，同時還具有良好的節能效果。

參考文獻

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