基于PLC的供應室變頻調速恒壓供水系統的實現

趙暉，胡肖聰

1.天臺縣人民醫院 設備科，浙江 臺州 317200；2.慈溪市人民醫院 設備科，浙江 寧波 315300

0 前言

根據消毒供應中心管理規范，在對器械等物品進行手工或清洗機清洗時，須使用自來水以及純水。為了滿足要求，需配備水處理系統，提供合格用水。我院原先使用一臺國產水處理系統，該系統為早期產品，出水量小，需手工啟停；另外由于供應室用水的特點，用水高峰和低谷的用水量相差很大，而原水處理不論用水量大小，水泵均以工頻運行，用水低谷時造成水資源及電能的浪費，高峰時則水壓明顯下降，造成清洗機欠壓報警。

為此，在原水處理機基礎上，增加純水水箱、純水泵及恒壓控制系統，以適應供水要求。依據用水量的變化（實際上為供水管網的壓力變化）自動調節系統的運行參數，實現純水泵電動機無級調速，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，并采用純水循環供水，消除系統供水死角，保證系統清洗、消毒無死角，提高供水的質量。

1 控制原理

恒壓控制系統原理，見圖1。系統主要由人機界面（HMI）、可編程控制器（PLC）、PID調節器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、配電裝置等組成。用戶可以通過觸摸屏設置水壓、了解和控制系統的運行。

PLC利用液位傳感器測定純水水箱內的蓄水量，根據水箱的高、低水位信號，再由傳感器直接送給PLC，控制進水電磁閥及水處理機的啟閉，以保持水量恒定，同時系統可在空閑及上班前提前生產純水，儲存于水箱中，緩解水處理機出水量不足的矛盾。

工作時，通過安裝在出水管上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20 mA信號送入PID調節器，經PID運算與PLC給定的壓力參數進行比較，輸出運行頻率到變頻器，由變頻器控制水泵的轉速以調節供水量，達到恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。

當變頻器故障時，PLC通過接觸器將水泵切換為工頻運行。

圖1 恒壓控制系統原理圖

2 水泵

水泵采用三相異步電動機，從理論上可知電機的轉速n與供電頻率f有以下關系：

式中，p-電機極數 ， s-電機滑差率。

由上式可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速n。為了避免降低頻率后磁通過大，磁回路飽和，使電機電流增大，嚴重時燒毀電機，所以在改變電源頻率的同時需控制電源電壓。

3 變頻器

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電，然后再把直流電轉換成交流電，以電壓均可控制的交流電供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。

變頻器有V/f控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等多種控制方式[1-3]。其中，V/f控制是在改變電機電源頻率的同時改變電機電源電壓，使電機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電機的功率不下降。V/f控制為轉速開環控制，無需速度傳感器，電路比較簡單，使用標準的三相異步電動機，通用性較強，性價比較高，常用于通用變頻器上，這類變頻器主要用于風機、水泵的調速（調速精度要求不高的場合）功能。

變頻器在工頻（50 Hz）以下和以上工作時的情況：

（1）變頻器頻率f＜50 Hz時，為恒轉矩調速。但其主要缺點是低速時V/f控制已不能保持電機磁通恒定，電機磁通的減小必然造成電機的電磁轉矩減小，使用V/f控制時，低速性能較差。在低頻時，必須進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

隨著市場營銷的模式的崛起，我國企業在市場中面對的挑戰與競爭又更加嚴峻，在這種條件下，企業不得不進行改革和創新。依目前的形勢看，企業加強經濟管理已經成為持續發展的重中之重。市場經濟急速發展，如果企業不重視經濟管理，就不能利用先進的管理模式和技術手段鞏固企業的發展，長此以往，企業的生產經營活動極有可能發生混亂，從而失去市場競爭力。

（2）變頻器頻率f＞50 Hz時，為恒功率調速。當變頻器輸出頻率f從50 Hz以上增加時，電機的輸出轉矩會減小，由于調速時所需的功率隨轉速增長過快，所以通常不應使水泵超工頻運行。

考慮以上因素，變頻器選用V/f控制，并設置變頻器工作頻率上限為工頻為50 Hz，下限設置為10 Hz，滿足泵的轉速的變化。

4 PID調節器

PID調節器可采用以下控制形式[4-10]：

（1）軟件型。使用離散形式的PID控制算法，在可編程序控制器上實現PID控制，但需配置模擬量模塊，成本高，且編程、調試復雜。

（2）硬件型。通用PID溫控器。其操作簡單，成本較低，但調節過于頻繁，穩態性能稍差。

（3）內置型PID。變頻器內置PID控制功能，其優點是成本低，控制性能較好，設置的參數少，接線工作量較少，且抗干擾性最好。

5 系統實現

系統電氣原理簡圖，見圖2。

變頻器選用ABB ACS510，可簡化PLC配置、編程。ABB ACS510內置Modbus RTU協議，通過 RS485通訊接口與PLC通訊。

由于ABB ACS510內置Modbus RTU協議，要求通過RS485接口通訊，而FX3G的PLC雖然可加裝擴展的485通訊板，但沒有專門的MODBUS模塊，因此必須對MODBUS深入了解，才能解決數據編碼、發送數據、接收數據的奇偶校驗、超時處理和出錯重發等一系列問題。它的一條簡單的變頻器操作指令，要編寫數十條PLC梯形圖指令才能實現，編程工作量大而且繁瑣。

Modbus協議最初由Modicon公司開發，包括ASCII、RTU、TCP等，支持傳統的RS-232、RS-422、RS-485和以太網設備[11-13]。它是一種基于主/從結構的開放式串行通訊協議，此協議定義了消息、數據的結構、命令和應答的方式，可非常輕松地在所有類型的串行接口上實現。Modbus RTU消息幀包括：[設備地址][功能代碼][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]。Modbus支持的部分功能碼，見表1。

表1 Modbus支持的功能碼

變頻器控制選用PID宏控制。首先將電機銘牌上的數據：額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉速、額定功率輸入變頻器，并選用PID控制宏，設置其他參數，如啟停信號源、PID調節器給定值和反饋值選擇、通訊參數等。工作時，PLC通過RS485與變頻器通訊，設置、讀取參數，并通過Y0控制變頻器啟動、停止，通過X0、X1讀取變頻器啟動及報警信號。P1為水壓傳感器，將壓力信號變成4～20 mA信號送入變頻器PID模塊，與給定壓力參數進行比較，輸出運行頻率到變頻器，進而控制水泵的轉速以調節供水量，達到恒壓供水。X2、X3為水箱高、低液位信號輸入端，PLC根據該信號及定時設置輸出至Y1控制進水電磁閥，Y2、Y3用于啟停水處理機增壓泵和高壓泵。

6 系統優點

由PLC和變頻器等組成的恒壓供水控制系統，充分發揮了可靠的內置式PID運算模塊，可自動調節變頻器輸出頻率，實現恒壓供水。該系統充分利用原有水處理系統，節約經費，且操作方便、運行可靠。系統具有如下優點：

（1）節能。對于離心風機、離心水泵這類負載，功率消耗與轉速的3次方成正比，即：N=Kn3（N為水泵消耗功率；K為比例系數；n為轉速）。水泵是按工頻運行時設計的，但除用水高峰外，大部分時間流量較小，因此可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。

（2）由于水泵工作在變頻工況，當出口流量小于額定流量時，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。

（3）水泵電動機采用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流沖擊，對電網電壓造成波動，同時也避免了電動機突然加速造成泵系統的喘振。

（4）具有短路保護、過流保護功能，工作穩定可靠，也延長了電機的使用壽命。

（5）恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。

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