PLC+變頻器的自來水廠循環投切恒壓供水控制系統設計

馬莉 王超 宋莉莉

摘要：設計基于PLC和變頻器控制的多泵循環變頻恒壓供水方案，根據管網壓力、流量信號自動調整泵運行數量及狀態；泵運用變頻調速控制管網水壓；系統含自動及手動運行方式，運用PID調節原理，實現供水和用水的動態平衡。

關鍵詞：變頻調速；恒壓供水；循環投切；PLC；PID

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0016-04

1 引言

隨著社會工業的發展和人民生活水平的不斷提高，人們對水的質量和供水設備的可靠性要求越來越高。高層建筑供水壓力存在問題，其關鍵在于供水質量，需要保證供水安全；把先進的自動控制技術、網絡通訊技術應用到供水領域，形成自動化供水系統[1]。構建節約型社會已成為當今社會的主流話題。

PLC和變頻器聯合控制的變頻調速恒壓供水系統已成為當今解決供水問題的主要方案。變頻調速恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。PLC適用于各行各業及各種場合中的監測，檢測及控制的自動化[2]。為實現生產工藝的需要，采用變頻器實現電動機啟動，運行，調速，制動控制。傳統供水模式，電動機頻繁開啟停止，設備故障率高，效率低，水資源浪費嚴重。基于PLC、變頻器等的工控產品構成了節能、恒壓供水自動控制系統，這是今后我國供水系統升級的主流趨勢。同時，系統的設計也有利于提升企業工作效率，實現節能降耗。

2 系統設計方案

本設計采用變頻器+可編程控制器+壓力傳感器+液位傳感器+軟啟動器+動力控制線路組成。系統主要由一臺三菱FX2NPLC，一臺西門子MM430變頻器，四臺水泵電機，一個地面水池，一個壓力傳感器，兩個液位傳感器及一個軟啟動器，若干繼電器，聲光報警，工控機等組成。系統原理框圖如圖1所示。系統主要任務是利用PLC和變頻器控制水泵的循環投切運行，實現管網水壓的恒定，由變頻器控制水泵的啟停和轉速，主水管網水壓通過壓力傳感器之后，可以轉變為電信號，這時在PLC中輸入模擬量信號，PLC按照壓力設定值、實際壓力值展開PID計算，通過模擬量輸出模塊將控制信號傳輸給變頻器，隨后完成水泵電機供電電壓、頻率的調節。

3 系統原理說明

系統中四臺水泵是并列運行方式，變頻運行水泵從地面水池抽水供給居民，主水管網水壓經壓力傳感器變換為4-20mA電流信號，經模擬量信號輸入PLC，PLC將壓力給定值與實際檢測壓力值做PID運算，輸出控制信號給變頻器；或者將壓力信號經PLC送到變頻器的模擬信號輸入端口，利用變頻A/D轉換模塊以及PID控制對比設定值和采集偏差信號值[3]；變頻器顯示的電機頻率信號，以0-10V電壓信號模擬量輸入PLC，PLC經過同向比較判斷，向變頻器發出頻率升降信號，當變頻器接收到PLC所發出的指令之后，便會改變輸出電流頻率，從而調整水泵電機轉速，最終改變水泵的出水量實現恒壓供水。

在用水量少的低谷時期，基于變頻控制作用，1#水泵的運行更加穩定，如果用水量加大至水泵全速運行，無法對管網壓力穩定提供保證，PLC檢測過程中獲得壓力下限信號、變頻器高速頻率信號，PLC將變頻運行狀態下的1#水泵轉換至工頻運行，使壓力始終保持恒定，并開啟2#水泵變頻器，通過提高管網供水量的方式使壓力維持恒定。如果依然不符合壓力規定，處于變頻運行狀態下的2#泵將轉換到工頻運行，這時開啟3#水泵變頻。如仍不滿足壓力要求，則將變頻運行的3#泵切換到工頻運行，同時將4#水泵變頻器啟動投入運行。如果用水量減少，那么PLC檢測過程中發現變頻器在最低速信號時有效，這時若出現壓力上限信號，那么PLC會先停止1#泵，達到減少供水量的目的。若以上2個信號依然存在，這時將2#水泵停止運行，直至最后一臺泵使用變頻器恒壓供水。

4 硬件系統設計

4.1 主電路設計

設計硬件系統的過程中，如圖2所示，主電路是由電源、變頻器、水泵以及相關保護器件連接而成[4]。電源是380V的三相交流電，通過斷路器連接變頻器，變頻器連接水泵，控制電機的轉速。通過變頻器以輪流的方式開啟四臺水泵電動機，其中均帶有變頻/工頻的運行狀態，四臺水泵是循環投切的工作方式。循環投切過程由PLC控制，每臺電機都通過兩個交流接觸器與工頻電源和變頻器輸出連接。

4.2 控制電路設計

控制電路的設計中，主要有PLC控制回路（如圖3所示）和水泵控制回路（如圖4所示）。控制電機接觸器所做出的動作均是以PLC邏輯程序為依據[5]。為了達到保護設備的目的，PLC輸出端口不能直接連接交流接觸器，在PLC輸出端口、交流接觸器之間接入中間繼電器，利用中間繼電器對電機動作進行控制，如此一來便可以隔離系統中強電和弱電，使系統使用期限得以延長。

5 系統的關鍵部分軟件設計

在系統開始工作的時候，先要對整個系統進行初始化，如圖5-1和5-2所示，判斷壓力傳感器傳送的壓力信號是否滿足水泵運行條件：當管道內實際值小于壓力下限值時，增加水泵的數量投入工作；當管道內實際壓力大于壓力上限值時，適當的減少水泵的工作數量。當管道內實際值介于上限值和下限值之間時，如圖5-3所示，PLC按照壓力給定值對實際值、給定值進行判斷[6]，向變頻器發送變頻信號：如果給定值大于實際值，那么變頻器的輸出電流頻率將會增大，水泵流量也會隨之加大；如果給定值小于實際值，則相反；實際值與給定值相等，變頻器輸出電流頻率和水泵流量保持不變。PID閉環負反饋壓力控制參數調節流程圖如5-4所示；水泵電機工頻/變頻切換和調速程序流程如圖5-5所示；常開觸點控制水泵電機啟動流程圖如5-6所示。

PLC接收壓力傳感器發出的壓力信號的同時，也會收到地面水池液位傳感器發出的液位信號，按照設定值對主觸頭動作進行控制[7]。如果液面相比下限值較小、地面水池液位超過上限值，這時會停止PLC控制水泵運行；如果液面相比下限值較大、地面水池液位低于上限值時，這時PLC控制水泵工頻持續運行。

PLC如果檢測過程中發現故障，將會自動將故障源切斷，將其切換至可運行備用設備，開啟故障指示燈并發出報警信號；若檢測過程中并沒有發現系統故障，則會返回至運行程序，使各個部分依然維持正常運行。

PID控制系統由PID控制器和被控對象構成，如圖6所示，是一種閉環負反饋控制，所發揮的負反饋作用有利于提高系統的穩定性。PID控制器屬于線性控制器，可以按照給定值r（t）、實際輸出值y（r）所組成控制偏差。

使偏差r（t）比例（Proportion）、積分（Integral）、微分（Differential），在線性組合的作用下形成控制器，從而達到控制被控對象的目的。PLC中的PID控制模塊帶有對比、差分計算這兩種功能，供水壓力比設定壓力低，通過變頻器提高運行頻率；反之則降低運行頻率。應用壓力變化速度做好差分調節工作，若壓力上升至設定值期間的速度比較快，那么PID運算過程中將會減少執行量，保證壓力的穩定性。供水壓力經過PID調節之后所顯示的輸出量，利于交流接觸器組可以輸出至水泵電機內。由PLC控制各接觸器負責水泵的切換工作，決定工頻還是變頻，按需要選擇水泵的運行情況，從而使管網水壓保持恒定。

6 結語

本設計針對我國大部分城市和地區居民生活用水的特點，通過PLC+變頻器對變頻調速循環投切恒壓供水系統設計方案進行控制。可以滿足城市自來水用量隨季節的變化而變化， 隨每日時段不同而變化的要求。用一臺變頻器拖四臺水泵電機并聯運行循環投切變頻調速恒壓供水。PLC與變頻器聯合控制水泵電機的啟停，以及工頻變頻運轉。利用變頻器能快速精準且平滑地調節泵電機轉速， 從而改變水壓的大小，達到恒壓供水的目的。本系統使用靈活可靠，真正做到智能，節能，衛生安全而又經濟合理的供水方式。

參考文獻

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[2]韓鸝.基于組態、變頻器與PLC的恒壓供水系統的設計[J].科技展望，2015，25（36）：115.

[3]楊柏松，熊建斌，李長庚.基于變頻器內置PID模塊的恒壓供水系統[J].電子設計工程，2015，23（20）：161-165.

[4]孫天航.基于PLC和變頻器控制的恒壓供水系統[J].中外企業家，2015，（15）：178.

[5]郭艷萍，張海紅，馮凱著.電氣控制與PLC應用[M]人名郵電出版社，2017：05-01.

[6]郭繼祖.基于PLC恒壓供水系統設計[J].數字技術與應用，2014，（05）：9-11.

[7]馬衛忠.變頻器&PLC;在供水控制系統中的應用[J].電氣技術，2012，（03）：91-93.