PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)

【摘要】城市供水系統(tǒng)中，變頻技術(shù)以其便捷的控制方式和優(yōu)秀的節(jié)能效果廣泛用于城市恒壓供水系統(tǒng)中。根據(jù)城市的供水特點，設(shè)計了一套基于PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等組成，可以根據(jù)實際需求量來改變水泵的轉(zhuǎn)速來改變供水量，能保證恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

【關(guān)鍵詞】恒壓供水;變頻調(diào)速;PLC;PID控制

引言

本系統(tǒng)由三臺水泵組構(gòu)成生活/消防雙恒壓無塔供水，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，三臺水泵根據(jù)恒壓需要，采用“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。再用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過3小時，則要切換到下一水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”。壓力傳感器檢測到當(dāng)前水壓信號后，送入PLC與預(yù)先設(shè)定值比較后進行PID運算，通過控制變頻器的輸出電壓和頻率，控制水泵電機的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。整個系統(tǒng)通過工控機與PLC的連接，通過組態(tài)軟件完成對系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警、查詢等功能。

1.變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成

市網(wǎng)自來水通過高低水位控制器EQ控制進水閥YV1，自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，YV1打開，自動往水池注水。水池的高/低水位信號同時送給PLC，作為高/低水位報警信號。為保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器距離較短。生活用水和消防用水通過三臺水泵供水，平時電磁閥YV2斷電，此時消防用水關(guān)閉，三臺水泵可以根據(jù)生活用水量的多少，按照設(shè)定的控制邏輯運行，維持生活用水的低恒壓。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥YV2得電，此時生活用水關(guān)閉，三臺水泵供消防用水使用，維持消防用水的高恒壓?；馂?zāi)結(jié)束后，三臺水泵恢復(fù)生活供水（如圖1所示）。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成

2.系統(tǒng)外圍設(shè)備配置與繼電器電器電路

系統(tǒng)的操作設(shè)有手動控制功能，手動功能在火災(zāi)、應(yīng)急或檢修時臨時使用。系統(tǒng)主電路如圖2所示，圖中接觸器KM1、KM2和KM5用于電動機的工頻供電，接觸器KM2、KM4課KM6用于電動機的變頻供電。

圖2 系統(tǒng)主電路

控制電路如圖3所示，圖中SA為選擇手動及自動運行的轉(zhuǎn)換開關(guān)，位于1位時為手動，位于2位時為自動。圖中按鈕SB1～SB6分別為手動啟動1～3號水泵的按鈕，按鈕SB7和SB8為手動啟停消防供水電磁閥YV2的按鈕。系統(tǒng)設(shè)置了各種指示燈和報警音響器件，配置了變頻器啟動與復(fù)位的控制繼電器KA。系統(tǒng)選用了火警檢測開關(guān)SA1，其輸出節(jié)點在火警出現(xiàn)時置“1”。

圖3 系統(tǒng)控制電路

3.PLC的選用

系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入6個，開關(guān)量輸出12個;模擬量輸入1個，模擬量輸出1個。因此選用三菱FX2N-32MR可編程控制器，加上一個模擬量輸入模塊FX2N-4AD，一臺模擬量輸出模塊FX2N-2DA，構(gòu)成PLC控制系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)控制要求：當(dāng)水壓下降時，升高變頻器的輸出頻率，水泵加速，達到上限值時，需啟動下一臺水泵。這一功能在程序中用比較指令實現(xiàn)，應(yīng)用時間濾波，消除偶然的頻率波動影響。

PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的任務(wù)較多，因模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序。因此把系統(tǒng)程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，定時中斷程序則用來實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。主程序主要完成的功能有：水泵切換信號的產(chǎn)生，水泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等。因白天、夜間模式的給定壓力值不相同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，夜間系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。

（1）系統(tǒng)初始化程序

系統(tǒng)初始化程序在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。

（2）增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序

當(dāng)PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號。

（3）水泵的軟啟動程序

增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。

當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。

（4）各水泵變頻運行控制邏輯程序

各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的?，F(xiàn)以1#水泵為例：當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時， KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。

（5）各水泵工頻運行控制邏輯程序

水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。

（6）報警及故障處理程序

本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。

故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。

5.結(jié)束語

該系統(tǒng)利用單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵電機的軟起動和調(diào)速，同時把水泵電機控制納入自動控制系統(tǒng)。壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動控制、無二次污染等優(yōu)點。

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作者簡介：孫小智（1975—），男，四川達縣人，大學(xué)本科，四川達州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系副教授，主要研究方向：自動控制。