基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計

游中國

（南充職業技術學院，四川　南充　637131）

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統設計

游中國

（南充職業技術學院，四川南充637131）

【摘要】本文以西門子S7-200可編程控制器為基礎，分析了變頻調速技術在恒壓供水系統中的應用，提出基于PLC的變頻調速恒壓供水控制系統的設計方案，并介紹了系統組成及控制原理，供讀者參考。

【關鍵詞】S7-200；變頻調速；恒壓供水

隨著社會的快速發展，高層建筑越來越多，對建筑物內用戶供水的可靠性和穩定性的要求也越來越高。一些傳統的供水方式（如：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水等）都不同程度的存在能耗高、可靠性差、自動化程度低等缺點，對住戶的正常用水帶來不利的影響。例如：用水高峰供量不足，用水低谷又供大于求，供水壓力不穩定；特別是在用水量較少時，管網長期處于超壓運行狀態，嚴重時可能引起水管破裂和設備損壞。

基于PLC的變頻調速恒壓供水系統，可以根據用水量的變化自動調節系統的運行參數，并作用于變頻器對水泵轉速實現無極調節，從而維持管網水壓的恒定，不光滿足了用戶對供水的需求，還能有效減小供水水壓對管網系統和供水設備的沖擊，同時也實現了顯著節能的目的。另外，獨立的封閉水箱，可實現對自來水的二次凈化和消毒，以保證飲用水的水質安全。

1　控制原理

圖1　恒壓供水系統框圖

如圖1所示，基于PLC的變頻調速恒壓供水系統是由可編程控制器、變頻器、壓力變送器和水泵機組等主要設備組成的閉環控制系統。通過安裝在用戶供水管道上的壓力傳感器檢測當前管網出水壓力，并將壓力檢測值信號反饋至PLC，PLC根據經A/D轉換后的壓力檢測值和給定值之間的偏差進行PID運算，再將經D/A轉換后的信號送入變頻器，用于調整電源輸出頻率，從而調整水泵電機的轉速，進而改變供水量，最終使管網供水壓力穩定在設定值附近，實現恒壓供水。

2　PLC控制系統設計

2.1主電路圖設計

系統的主電路如圖2所示。電機M 1～M 3分別拖動3臺水泵。接觸器KM 1、3、5分別控制3臺電機的工頻運行；KM 2、4、6分別控制3臺電機的變頻運行。必須指出，控制同一臺電機工頻運行和變頻運行的兩個回路不允許同時接通，即接觸器KM1和KM 2、KM3和KM 4、KM 5和KM6之間必須有可靠的互鎖。

圖2　系統主電路圖

為了維持管網水壓恒定，三臺水泵中需要有一臺水泵處于變頻運行方式，用以根據用水量的實時變化改變電機轉速。當用水量很大，變頻工作的水泵已工作于上限頻率（50Hz），而管網實際水壓仍低于設定值時，就需要新增水泵來提高供水流量，此時應先將變頻器從原來的水泵電機中脫出，并將該水泵切換為工頻恒速運行，同時用變頻器去拖動新增水泵電機，使其處于變頻運行狀態，以達到恒壓供水的目的；反之，當用水量很小，變頻工作的水泵已工作于下限頻率（15Hz），而管網實際水壓仍高于設定值時，應將最先投入運行的水泵電機切除，并停止工作，從而降低供水流量，以達到恒壓供水的目的。

2.2PLC的外部接線設計

系統的輸入點數為5個，其中數字量輸入點4個、模擬量輸入點1個。數字量輸入點I0.0接火災觸發信號開關SA1；I0.1接液位變送器送入的水池水位超限報警信號SLHL；I0.2接變頻器的故障報警輸出信號SU；I0.3接試燈按鈕SB7，用于手動檢測各指示燈是否能正常工作；擴展模塊EM235的模擬量輸入點AIW0接受壓力傳感器送入的管網供水壓力。

系統還有11個輸出點，其中包括10個數字量輸出點和1個模擬量輸出點。數字量輸出點Q0.0～Q0.5分別連接接觸器KM 1～KM 6的線圈，控制三臺水泵的工頻/變頻運行；Q1.0接水位超限報警；Q1.1接變頻器故障報警；Q1.2接報警電鈴；Q1.3接變頻器復位控制繼電器線圈；擴展模塊EM 235的模擬量輸出點AQW0用于輸出變頻器的運行頻率。

實際應用中，考慮到I/O點需留有一定的裕量，以備系統調整和擴展使用。因此，本系統選用了西門子S7-200系列PLC中的CPU226CN（24DI/16DO）作為主機，EM 235（4AI/1AO）作為模擬量擴展模塊。

2.3PLC的控制程序設計

在恒壓供水系統中，由于PLC承擔的控制任務較多，加之又需要對模擬量處理、PID運算以及中斷控制等功能進行編程，程序較為復雜。因此，通過主程序、子程序和中斷程序的結構來完成控制系統各個單元功能是合理的選擇。其中，主程序的功能最多，如：水泵切換信號的生成、報警處理等；子程序完成系統的一些初始化工作，以節省掃描時間，如：變頻運行上下限頻率的設定、PID參數的初始化等。定時器中斷則用以實現PID控制的定時采樣和輸出控制。

另外，程序設計過程中，還應注意以下幾個方面：①水泵增減的實現。通過比較指令實現判斷變頻器的輸出頻率是否達到設定的上下限值，從而確定是否可以增減水泵。實際上，為了判定變頻器達到上下限值頻率的確切性，還應在程序中考慮采取時間濾波的方式（延時判定）濾去偶然的頻率波動引起的偏差。②水泵的工作循環控制。工頻泵的輪換工作通過工頻泵的總數加泵號來實現，變頻泵的循環控制則通過變頻泵泵號加1的方法來實現，從而保證任一臺泵連續變頻運行不超過3小時。

3　結語

實踐表明，基于PLC的恒壓供水系統可以大大提高供水的可靠性和穩定性，同時變頻調速技術還能使供水系統顯著節能。因此，本系統在提高供水質量、降低能耗等方面具有重要的現實意義。

【參考文獻】

［1］張燕賓.變頻調速應用實踐［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］王芹.可編程控制器技術與應用［M］.天津：天津大學出版社，2008.［3］廖常初.PLC編程及應用［M］.北京：機械工業出版社，2014.［4］王廷才.變頻器原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，2009.

【作者簡介】

游中國（1984～），男，四川安岳人，助教，研究方向：電氣控制技術。