基于PLC的變頻恒壓供水系統淺談

劉 磊

（蘭州鐵路技師學院，甘肅 蘭州730050）

0 概述

常規水泵大部分時間均在額定負荷下運行，特別是自來水廠和居民生活供水，其設計均按最大用水負荷選擇水泵，而每天24h用水負荷變化很大，在夜間用水量更少，采用變頻恒壓供水設備可根據用水量的大小變化，自動調節水泵轉速，同時確保供水壓力恒定，可節約大量能源，延長設備使用壽命。

以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、防雷避雷技術、現代控制、遠程監控技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時系統具有良好節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。

圖1

1 工作原理

本系統采用總線分布式控制模式，實現對變頻器、水泵等設備的遠程集中控制，本系統最高層為計算機監控系統，它包括監控計算機、管理計算機、服務器、集成線、通過Ethernet網，實現各計算機之間的通訊。控制層內的功能由一臺PLC與模擬量采集模塊負責水池水位、流量、用電量等數據的實時采集、通過RS—485轉RS—232方式，將采集數據傳輸給監控計算機、輸出模塊調節電動蝶閥的開啟或關閉動作和各變頻器及水泵的開啟或關閉。

本系統最低層為現場設備，保留現場設備原有的手動操作，同時增設遠程接口控制電氣回路，接受PLC可編程控制器的動作。現場手動方式為控制模式的最高級，任何情況下，當現場控制箱上選擇手動操作時，遠程對此系統的操作無效。

本系統利用流量計的脈沖信號輸入給PLC的I口后由CPU中的程序進行累加處理，處理后送上位機顯示，存儲并形成報表，各泵的開關狀態由繼電器把高低電平送入PLC的I口，同時PLC再把各泵的開關狀態送給上位機監控計算機，操作者就可以獲知各泵的工作狀態，各泵的工作電流可以通過套裝在各泵電流輸入線路上的電流互感器和變送器把工作電流轉化為對應的4—20mA的信號送入EM235的的輸入接口，EM235內部的DAC把輸入的4—20mA的模擬信號轉換為數字信號，并通過I/O擴展線把數據送到PLC中，數據經過PLC中的程序處理發送給上位監控計算機，操作者就可以實時動態掌握各泵的工作電流。電動調節閥輸出隔離的4—20mA閥位反饋信號給EM235模塊，EM235內部的DAC把輸入的4—20mA的模擬信號轉換為數字信號，并通過I/O擴展線把數據送到PLC中。

2 PLC控制部分

2.1 PLC 選型

水泵M1、M2，M3可變頻運行，也可工頻運行，需PLC的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由PLC的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數量一共9個。控制起動和停止需要2個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個輸入點，系統自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統停止運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統所需的輸入／輸出點數量共為24個點。本系統選用FXos-30MR-D型PLC。

2.2 PLC的接線

圖2 PLC的接線圖

Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行。

X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。

為了防止出現某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。

2.3 PLC 控制流程

PLC在系統中的作用是控制交流接觸器組進行工頻—變頻的切換和水泵工作數量的調整。工作流程如圖3所示。

圖3 PLC程序流程圖

系統起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據自己的需要操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果是自動運行模式，則系統根據程序及相關的輸入信號執行相應的操作。

手動模式主要是解決系統出錯或器件出問題

在自動運行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執行增泵程序，增加水泵的工作數量。如果PLC接到頻率下限信號，則執行減泵程序，減少水泵的工作數量。沒接到信號就保持現有的運行狀態。

1）手動運行

當按下SB7按鈕，用手動方式。按下SB10手動啟動變頻器。當系統壓力不夠需要增加泵時，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時切斷電機變頻，同時啟動電機工頻運行,再起動下一臺電機。為了變頻向工頻切換時保護變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時，用時間繼電器作了時間延遲，當壓力過大時，可以手動按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運行的電機，同時啟動電機變頻運行。可根據需要，停按不同電機對應的啟停按鈕，可以依次實現手動啟動和手動停止三臺水泵.該方式僅供自動故障時使用。

2）自動運行

由PLC分別控制某臺電機工頻和變頻繼電器，在條件成立時，進行增泵升壓和減泵降壓控制。

升壓控制：系統工作時，每臺水泵處于三種狀態之一，即工頻電網拖動狀態、變頻器拖動調速狀態和停止狀態.系統開始工作時，供水管道內水壓力為零，在控制系統作用下，變頻器開始運行，第一臺水泵M1，啟動且轉速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩定到某一定值，這期間M1處在調速運行狀態.當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環調節水泵按設定速率加速到另一個穩定轉速;反之用水量減少水壓增加時，水泵按設定的速率減速到新的穩定轉速.當用水量繼續增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網后恒速運行;同時，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統恢復對水壓的閉環調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到工頻時，將繼續發生如上轉換，并有新的水泵投人并聯運行.當最后一臺水泵M3投人運行，變頻器輸出頻率達到工頻，壓力仍未達到設定值時，控制系統就會發出故障報警。

降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設定值，系統將工頻運行時間最長的一臺水泵關掉，恢復對水壓的閉環調節，使壓力重新達到設定值.當用水量繼續下降，每當減速運行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續發生如上轉換，直到剩下最后一臺變頻泵運行為止。

3）總程序的順序功能圖

系統分為自動運行和手動運行兩部分

圖4 總程序的順序功能圖

（1）自動運行順序功能

按下SB8按鈕，系統進入自動運行模式，順序功能圖如3.3所示。Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行

系統起動時，KM1閉合，#1泵以變頻方式運行。 當變頻器的運行頻率超出一個上限信號后，PLC通過這個上限信號后將1#水泵有變頻運行轉為工頻運行，KM1斷開KM0吸合，同時KM3吸合變頻起動第2#水泵。

如果再次接收到變頻器上限信號，則KM3斷開KM2吸合，第2#水泵由變頻轉為工頻運行，3#水泵變頻起動。

如果變頻器頻率偏低，即壓力過高，輸出的下限信號使PLC關閉KM5、KM2，開啟 KM3，2# 水泵變頻起動。

再次接到下限信號就關閉KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵變頻運行。

為了防止出現某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同是控制M1電動機的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。

（2）手動模式順序功能

當按下SB9按鈕，系統進入手動運行模式。系統的每步動作都必須有相應的操作。順序功能圖如圖3.3所示。

按下按鈕SB9之后，啟動了變頻器，系統進入手動運行模式。當用戶按下SBn（n=1，3，5）三臺電機分別處于工頻運行，當用戶按下SBn（n=2，4，6）三臺電機分別處于變頻運行。可以多臺電機于不同的頻率工作，但一臺電機只能以一種頻率下工作。（如#1電機，如果控制它工作的SB1,SB2按鈕被同時按下則發出警報且電機無法起動。）

總之恒壓供水在日常生活中非常重要，基于PLC和變頻器技術設計的生活恒壓供水控制系統可靠性高、效率高、節能效果顯著、動態響應速度快。因實現了恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，節省了人力，提高了供水質量，減輕了勞動強度，可實現無人值班，節約管理費用。實現供水的最優化控制和穩定性控制。