基于PLC的變頻恒壓供水系統

陳 頡

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381）

0 引言

傳統的自來水廠供水泵站是由若干臺揚程相近的水泵組成的，工作人員根據輸出水壓和流量的要求手動調整工作水泵的數量，所以供水系統是一種恒壓供水的系統[1]。隨著經濟的發展，城市中的高層建筑越來越多，每天用水量變動較大，對于供水系統的穩定性要求也隨之提高，傳統的調控方式無法滿足這樣的需求，而且傳統的調控方式需要工作人員24h值班，頻繁地開啟水泵對于水泵電機的壽命也會有所影響。

自動化控制系統能夠根據恒壓供水的原理，代替人工操作對設備進行調控，保證管網的壓力平穩。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[2]。基于PLC控制的變頻恒壓供水系統目前已經是很多自來水廠使用的供水系統方案，但是目前還是有很多水廠由于建廠時間較早，最初建設時并沒有配置自動化供水設施。因此，目前依然還是采用傳統的供水調控方法。本文對基于PLC的變頻恒壓供水系統進行研究，設計一個通過PLC自動控制器保持管網壓力恒定，自動調控設備啟停，并能夠實現手動和自動多種操作方式的恒壓變頻供水系統。系統設計目的是通過自動控制系統改善供水系統傳統調控中的調控效率低、成本高的問題，降低能源和資源的消耗，降低生產成本，提升生產管理效率。

1 系統方案設計

系統需要實現的功能包括：1）根據管網壓力自動調控系統中的水泵工作，保持管網壓力穩定；2）通過觸摸屏手動控制系統運行，以及查看系統運行的各項技術參數和設備運行狀態；3）自動切換運行的水泵組合，避免個別水泵持續運行的時間過長，延長水泵的使用壽命；4）工頻電源和變頻電源互鎖，防止兩種方式同時連接造成變頻器短路故障；5）系統中的設備都具備過電流保護、過熱保護、斷電保護、缺水保護的功能。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

圖2 系統主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of the system

圖3 控制電路圖Fig.3 Control circuit diagram

基于PLC的變頻恒壓供水系統由PLC控制器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、軟啟動器和觸摸屏組成。系統結構圖如圖1所示。

壓力傳感器安裝在供水管網的主水管上，將檢測到的壓力信號傳輸給PLC控制器，PLC控制器將當前的水壓與預先設置的水壓進行對比，對變頻器輸出調控信號，變頻器根據PLC發來的控制信號改變輸出頻率，從而改變水泵電動機的轉速，水泵的出水量隨轉速改變，使管網的水壓得到相應的調整，保證了供水系統管網水壓的穩定性。

1.1 硬件設計

1.1.1 主電路

本文設計的系統中由一臺變頻器拖動3臺水泵電機工作，自動控制系統運行時，水泵只能通過變頻電源工作，人工控制時可以通過工頻電源運行。3臺水泵電動機分別通過接觸器與變頻器的輸出電源相連接，每臺水泵電機的電源輸入端都具有熱繼電器實現過電流保護的功能。此外，電路還具有報警功能，在系統出故障時能夠提示報警。系統主電路如圖2所示。

1.1.2 控制電路

系統的自動控制功能是通過PLC控制器實現的，PLC控制器與其他設備之間通過中間繼電器和交流接觸器進行連接，實現強電系統和弱電系統之間的隔離功能，對PLC控制器起到保護作用[3]。系統控制電路圖如圖3所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flowchart

1.1.3 設備選型

1）PLC可編程控制器

PLC可編程控制器是本系統的核心控制部件。可編程控制器是一種通過計算機和自動化控制技術開發的裝置，能夠通過內部存儲的程序輸出指令控制改變其他設備的運行。西門子S7-200C具有有可靠性高、控制功能強、組成靈活、操作方便等特點，具有較強的環境適應性和較高的抗干擾能力，適合恒壓供水的環境要求[4]。

2）變頻器

變頻器與水泵電動機的電壓為同一等級，在選型時需要注意的重點是水泵電動機的運行電流不能超過變頻器的額定電流。西門子MM420變頻器能夠適用于各種變速驅動裝置，易于安裝、調試，配置靈活，并且具有用于與PC通訊的通訊模塊、基本操作面板（BOP）、高級操作面板（AOP）、用于進行現場總線通訊的PROFIBUS通訊模塊等附加選件可用，選擇該變頻器作為供水系統的變頻器[5]。

3）壓力傳感器

KYB-800KT型壓力變送器內部電路設計合理，外部結構靈活方便，性能穩定可靠，故作為供水系統的壓力傳感器[6]。

4）觸摸屏

選擇威綸MT6051iP作為人機交互使用的觸摸屏。

1.2 軟件設計

系統軟件部分主要由主程序和子程序組成。主程序能夠調用子程序運行，控制系統的啟停和運行方式的變化。主程序流程圖如圖4所示。

主程序調用子程序模塊的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序調用子程序流程圖Fig.5 Main program call subroutine flowch art

圖6 PLC調節子程序流程圖Fig.6 PLC Adjusting sub-program flowchart

子程序包括PLC調節控制程序、PID設置子程序和水泵電機控制子程序。PLC調節子程序的功能是通過壓力傳感器檢測到的管網水壓值和系統預先設定的壓力值之間的偏差輸出控制指令，對管網水壓進行調控。PLC調節子程序的控制流程圖如圖6所示。

PID設置子程序的功能是設定管網需要保持的水壓值，通過該子程序將穩定的管網水壓值寫入PLC控制器。PID設置子程序的流程圖如圖7所示。

水泵電機控制子程序的功能是控制水泵電機的切換和調速，檢測水泵電機是否存在故障，以及變頻器是否出現故障。水泵電機控制子程序的流程圖如圖8所示。

圖7 PID設置程序流程圖Fig.7 PID Setup program flowchart

此外，PLC控制器在處理壓力傳感器傳輸來的信號的同時，還會收到液位傳感器發送來的信號，將收到的液位值與系統預先設定的值進行對比分析，根據偏差對主觸頭進行控制，改變水泵的運行狀態。當液位超過最大值時，控制水泵停止運行；當液位低于最小值時，控制水泵工頻持續運行。

最后，系統運行過程中出現故障，PLC控制器會首先切斷造成該故障的設備，切換到相應的備用設備上，然后啟動報警指示燈，發出報警信號。故障解除后，系統檢測不到故障，就會恢復原有程序的運行。

2 系統原理說明

系統控制3臺水泵，3臺水泵為并列運行的方式。系統運行過程中，首先需要對PLC控制器設置需要保持的管網水壓值。然后PLC控制器啟動系統運行，水泵電動機在變頻電源驅動下工作，壓力傳感器檢測供水系統管網主水管的水壓，將檢測到的水壓值轉換為模擬電信號，經過A/D轉換后，傳送給PLC控制器。PLC控制器對壓力傳感器傳送來的信號進行處理分析，與預先設定的壓力值范圍進行對比，如果檢測到的壓力值高于預先設定的壓力值，說明水

圖8 水泵電機控制程序流程圖Fig.8 Flow chart of pump motor control program

泵的出水量過大，需要降低水泵的電機轉速。因此，PLC控制器向變頻器輸出降低輸出頻率的控制信號，變頻器的輸出頻率降低，水泵的電動機轉速就會隨之降低，從而減小水泵的出水量，降低管網的水壓。如果檢測到的壓力值低于預先設定的壓力值，說明管網的水壓過低，也就是水泵的出水量不足，此時PLC控制器應該向變頻器輸出增大輸出頻率的指令，隨著變頻器輸出頻率的增加，水泵電機的轉速也增大，水泵的出水量增大，管網的水壓就會上升。由此整個系統實現閉環負反饋水壓調節，保持管網水壓的穩定。

3 結論

采用基于PLC的變頻恒壓供水系統能夠幫助水廠降低生產成本，提高管理效率，無論是大水量還是日常水量，都能夠表現出穩定的調控性能。使用自動控制技術和設施調控供水系統是當前水廠建設的主要要求，而建設時間較早的水廠也終究會對傳統的供水系統進行改造，改造成為能夠自動調控、人工監護的系統運行模式。本文對一個基于PLC的變頻恒壓供水系統進行研究，采用西門子S7-200可編程控制器和西門子MMM420變頻器設計，實現了自動調控供水的功能，保證了供水系統管網水壓的穩定，系統使用靈活可靠、經濟合理。