基于變頻器十五段速的恒壓供水控制系統設計

曹利剛

（楊凌職業技術學院，陜西楊凌， 712100）

城市里樓房越建越高，保證每戶的用水質量非常重要，無論是用水高峰期還是低谷期都要保證水壓在額定的壓力范圍內[1][2]。通過變頻器來調節水泵電動機的轉速是普遍使用的恒壓供水方法[3][4][5]。

變頻器調速的工作原理是，對于任何一個電機，n*p=60f，即轉速與磁極對數的乘積等于六十乘以交流電的頻率[6]，在磁極對數不變的情況下，當頻率發生變化時，電動機的轉速就隨之發生變化，水泵電機的轉速越高，水管承受的壓力就越大[7][8]，當壓力達到上限時，對應壓力傳感器的觸點斷開，水泵電機自動停止；當壓力下降到下限時，對應壓力傳感器的觸點閉合，水泵電機啟動運行[9]。

變頻器通常有三種調速方法，即三段速、七段速和十五段速調速[10][11]。大多數樓房用的是三段速和雙速電機一起調速，這種方法要用到普通電機和雙速電機，兩個電機經過組合后調節的速度只有八種，水壓的變化幅度比較大，容易造成短時水擊過大而使水管破裂，兩個電機的運行和維護成本也相對比較高；七段速調速方法只用一個普通電機，設備少，維護成本低，同樣也存在短時水擊過大而損壞輸水管道的現象[12][13]。

十五段速是變頻器具有的最大調速范圍，相對于前邊兩種調速方法，這種調速細膩，壓力變化平順，有利于延長壓力水管的使用壽命，設備少，系統控制邏輯清晰，節約了運行和維護成本[14]。

一、項目總體方案設計

根據某小區的18層樓房用水需求，設計一套由PLC、變頻器、水泵電機、壓力傳感器組成的控制系統。

系統設置手動調試和自動運行兩種模式。手動調試時按下啟動按鈕，水泵電機在2HZ的轉速下運行，每隔5 秒，按順序切換到下一個頻率運行，調節過程中隨時按下停止按鈕，水泵停止運行。自動運行時，當水管的壓力降到下限時，水泵電機以2HZ 的頻率啟動，運行5 秒后，自動切換到4HZ 運行，再5 秒后，自動切換到6HZ，然后按照圖1 所示的15 段速頻率切換順序運行。當變頻器在某一頻率下運行時，管道的壓力達到了上限值，變頻器就自動停止調速；當短時用水量過大時，水泵最多能切換到第15 個運行頻率（50HZ），直到壓力達到上限時，水泵停止運行。

圖1 變頻器15段速頻率

二、項目實施

（一）FR-E740變頻器的設置

變頻器參數Pr.4、Pr.5、Pr.6 分別設定第1 段速、第2 段速和第3 段速，Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分別設定第4 段速、第5 段速、第6 段速、第7 段速，Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239分別設定第8段速、第9段速、第10段速、第11段速、第12段速、第13段速、第14段速、第15段速。

Pr.7 設定加速時間、Pr.8 設定減速時間。Pr79設置運行模式，1 是調節參數模式，2 是外部控制運行模式。

（二）PLC的I/O分配

啟動按鈕SB1 對應X0，停止按鈕SB2 對應X1，Y0 對應變頻器高速端子RH，Y1 對應變頻器中速端子RM，Y2 對應變頻器低速端子RL，Y3 對應多功能端子REX，Y4 對應正轉端子STF，輸入和輸出的I/O 分配如表1 所示。把參數Pr.179 的值設定為8，就把STR（反轉端子）的功能定義為15 段速選擇信號，此時反轉端子就變為多功能端子REX。

表1 I/O分配表

（三）PLC和變頻器外部接線

根據I/O 分配表輸入和輸出變量的個數，PLC模塊選擇三菱的FX3u-16MT/ES-A,變頻器選擇三菱FR-E740,三相異步交流電動機選擇WDJ26。PLC 輸入端接交流220V 電源，PLC 輸入端采用共陽極接法，24V 和S/S 短接，0V 作為輸入端子的公共端，端子X0 接啟動按鈕SB1，X1 接停止按鈕SB2。PLC 輸出端COM1 接變頻器的公共端SD，Y0接變頻器高速輸出端子RH，Y1 接變頻器中速輸出端子RM，Y2 接變頻器低速輸出端子RL，Y3 接變頻器多功能輸出端子REX（即反轉端子STR），Y4接變頻器正轉輸出端子STF，COM1 和COM2 短接，變頻器輸入側接380V交流電源，輸出接三相交流異步電動機。PLC、變頻器和電動機的外部接線如圖2所示。

圖2 PLC、變頻器和電動機的外部接線圖

（四）PLC程序設計

系統的手動和自動功能切換程序如圖3 所示，X2 是手動和自動切換開關，系統上電后先進入手動運行狀態。啟動和停止通過中間繼電器M0 來實現，15段速運行需要15個時間繼電器來完成，每一段速運行的時間都是5 秒，第1 段速由M0 啟動運行，第2 段速由T0 啟動運行，第3 段速由T1 啟動運行，以此類推，第15 段速由T13 啟動運行。T14常閉觸點起到復位15 個時間繼電器并重新啟動系統運行的作用。時間繼電器輸出部分程序如圖4所示。

圖3 手動和自動切換程序

圖4 時間繼電器控制的部分程序

變頻器的正向運行（Y4）由M0啟動，T14 停止；多功能端子（REX）輸出（Y3）由T7 啟動，T14 停止；低速端子（Y2）輸出由2 條功能相同的并聯回路分別實現啟動和停止，中速端子（Y1）輸出由4條功能相同的并聯回路實現啟動和停止；高速端子（Y0）由8條功能相同的回路實現啟動和停止。輸出端子部分程序如圖5所示。

圖5 輸出端子部分程序

當按下啟動按鈕SB1后，PLC的Y4置為ON，允許電機啟動；當按下停止按鈕，PLC 的Y4 為OFF 狀態，電動機停止運轉；PLC 輸出接口狀態和變頻器輸出15段速控制狀態變化如表2所示。

表2 電動機15段速輸出狀態與頻率

（五）調試運行

首先，設置參數。

1.按照設計的PLC 和變頻器外部接線圖連接電路，先向PLC 里下載一個空程序，分別按下啟動和停止按鈕，檢查接線是否正確，然后接通PLC 和變頻器電源。

2.把Pr.CL（參數清除）或ALLC（參數全部清除）的參數設置成“1”，恢復變頻器出廠參數。

3.設置加速時間和減速時間。首先設置面板調節參數模式Pr.79為1，然后設置加速時間Pr.7 為0.5秒，減速時間Pr.8為0.5秒。

4.設置變頻器15 段速相關參數。Pr.4、Pr.5、Pr.6 分別設置為2、4、6；Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分別設為8、11、14、17；Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239 分別設定為：20、24、28、32、36、40、45、50。

5.設置外部端子控制模式Pr.79為2。

其次，調試設備。

1.手動運行模式

在手動運行模式下，按下啟動按鈕SB1，查看水泵電機能否按照設定順序每隔5秒切換到下一個運行頻率，按下停止按鈕SB2，查看電機能否停止運行。

2.自動運行模式

在自動運行模式下，打開PLC 的模擬軟件，強制氣壓到下限時對應壓力傳感器的觸點閉合，查看水泵電機能否按照預定要求啟動并切換運行頻率，強制氣壓到上限時對應壓力傳感器的觸點斷開，查看水泵電機能否停止運行。

最后，編寫運行說明書。

詳細編寫系統的設備清單，運行操作說明書，易發生的設備故障現象和解決辦法，操作安全注意事項。

總結

本次設計說明了變頻器的調速原理，總結變頻器的三段速、七段速和十五段速控制水泵電機的優點和缺點，提出了基于變頻器十五段速的恒壓供水控制方式。通過對變頻器十五段速端子的設置、PLC 的I/O 分配、PLC 和變頻器的外部接線設計、PLC 程序的編寫、設備的運行調試，實現了對原來控制方式的優化和改造。經過現場反復運行調試，這套由變頻器十五段速控制的恒壓供水系統操作簡單安全、運行可靠穩定，達到了預期的設計目的和要求，具有較強的推廣使用價值[15]。