PLC變頻技術在加壓泵站供水系統中的應用

鮑海琛

(寧夏寧東水務有限責任公司，寧夏 銀川 750000)

傳統加壓泵站供水控制系統由于存在控制線路復雜、功耗高、靈活性差、維護工作量大以及遠程控制能力弱等問題，導致供水系統自動化與調度管理水平不高。隨著可編程控制與變頻技術在工控領域的應用和發展，建立基于PLC變頻技術的加壓泵站自動控制系統成為解決這一問題的有效途徑。PLC變頻技術具有通用性好、可靠性高、安裝靈活、擴展方便、性價比高、故障率低、調速精度高以及保護功能多等一系列優點，因此在供水行業中得到了廣泛應用，實現了供水的實時監測和控制，從而保障了供水過程的連續性，節省了大量人力、物力，實現了少人值班，無人值守的目標。

1 PLC變頻技術

PLC是一種可編程的存儲器，它通過電源、中央處理單元、存儲單元、輸入輸出單元等構成一套完整的控制系統。變頻器是利用半導體器件的通斷作用，將工頻電源變換為各種頻率的交流電源，實現電機變速運行的設備[1]。PLC變頻技術是PLC接收變頻器發出指令后分析指令，并將指令編程，再將編程后指令發送至變頻器，實現電機整體運行和自動控制。PLC控制變頻器的方式主要有三種形式：

(1)PLC的模擬量控制。在PLC加數模(DA)轉換模塊，通過輸出A/D模塊的輸出端子與變頻器的模擬量控制端子連接，由PLC內部程序進行不同狀態的組合控制，將PLC數字信號轉換成電壓或電流信號，輸入到變頻器的模擬量控制端子，對變頻器進行頻率調速控制。這種控制方式接線簡單，可以實現無級變速，但存在調速精度低，數模轉換模塊較貴缺點[2]。

(2)PLC的開關量控制。將PLC的輸出端子與變頻器的多功能端子連接，在變頻器中多功能端子設定參數，通過PLC輸出端子的閉合和斷開的組合，將頻率指令和變頻器輸入端子功能選擇進行有機組合，實現對單臺或多臺電機的變頻調速。這種控制方式響應速度快，抗外界干擾能力強，但不能無級調速[3]。

(3)PLC的通訊方式控制。采用Modbus通信協議的RS-485或RS-232接口直接和PLC通信端口連接，利用通信網絡將PLC與變頻器連接，通過PLC的程序控制，實現變頻器參數的讀取、寫入、各種運行的監視和控制。這種控制方式可以通過串行接口設置和修改變頻器的參數，具有無級變速，速度變換平滑，速度控制精確，適應能力好等優點。但通訊需要解決數據編碼、求取校驗和、成幀、發送數據、接收數據的奇偶校驗、超時處理和出錯重發等技術問題[4]。

2 PLC變頻技術在加壓泵站供水系統的應用優勢

2.1 操作性強及自動化水平高

PLC變頻技術在加壓泵站供水系統應用中，PLC通過編寫邏輯關系以及設定相關參數對變頻器進行控制，可以根據供水系統壓力的實際需求控制水泵電機的轉速，滿足供水系統快速啟動、恒壓供水的要求。PLC變頻器功能強，操作靈活，實用性好，提高了供水系統的自動化水平。

2.2 安全性及可靠性強

由于PLC與變頻器內部采用了數字控制技術和模塊化、標準化的設計，具有較強的抗干擾能力，因此安全性較高。PLC變頻器具有故障分析功能，能夠清晰地顯示故障出現的位置，可幫助工作人員縮短故障修復的時間，進一步提高了供水系統的可靠性。通過PLC控制變頻與工頻切換，使供水系統運行在合理工況狀態，保證了按需供水[5]。

2.3 具有較高性價比

應用PLC變頻技術可根據供水系統壓力值自動控制水泵電機轉速，能夠降低電機電能損耗，并且減小啟動時對電網沖擊。PLC體積較小、集成程度高，結構簡單，維護簡單方便，可實現供水的實時監控和控制，保障了供水的連續性，降低了工作強度和維護成本。

3 PLC變頻技術在加壓泵站供水系統中的應用

3.1 PLC變頻加壓泵站供水系統設計

PLC變頻加壓泵站供水系統由可編程控制器、變頻器、水泵電機、流量壓力傳感器、液位計、上位機等構成。采用變頻器控制的閉環控制系統，通過對系統管網壓力、流量、水泵轉速等運行數據進行實時采樣，經與PLC程序中設定的水壓值進行比較，變頻器根據PID運算得出頻率調節信號來控制水泵電機的轉速，實現恒壓變量的供水。

圖1 加壓泵站系統控制框圖

3.2 PLC變頻加壓泵站供水系統的主要功能

(1)具有水泵自動變頻啟動功能。根據供水系統用水量、壓力要求自動調節水泵轉速及工作水泵臺數。

(2)具有自動控制供水系統運行功能。自動控制狀態時，水泵自動輪換變頻或工頻運行；工作泵出現故障時備用泵自動投入運行，可轉換自動或人工手動開、停機。

(3)具有輸入電源缺相、不平恒、過壓、過流、過載、短路等安全保護功能，以及前池缺水保護停機、水位恢復開機功能。

(4)具有變頻器、電機工況發生故障指示及防誤操作等功能。

(5)具有系統壓力流量、電機電流、水泵轉速等運行數據監測、自動采集功能，以及后臺數據實時顯示、存儲設定、運行分析、報表查詢、能耗匯總、打印輸出等功能。

3.3 PLC變頻技術在加壓泵站供水系統的應用

3.3.1 供水系統開關量控制

PLC開關量控制在供水系統中作為一項十分重要的環節，包括閥門的開關、水泵的啟停等設備控制輸出和狀態反饋，在機組做好開機準備工作后，上位機給PLC發送一鍵開機命令，PLC通過其內部開關量的邏輯和順序控制輸出“開進水閥-啟動水泵電機-開出水閥”的開關量信號至設備控制回路實現對水泵的啟停操作以及信號反饋。這種控制模式簡化了工作人員在加壓泵站運行時的操作程序，提高了設備的運行質量和效率[6]。

3.3.2 供水系統壓力控制

供水系統中用戶的用水量是不斷變化的，因此供水不足或供水過剩的現象時有發生。PLC變頻恒壓供水系統是以用戶或者管網的壓力作為參考值，采用壓力傳感器來檢測水壓，然后將檢測到的信號送到變頻器PID回路，經過變頻器PID回路處理之后，根據輸出頻率信號來調節水泵電機的轉動速度，達到管網水壓的自動調節作用，讓供水系統的輸出水壓能夠跟設定的壓力值保持一致。當管網用水量增大到變頻器全速運行并且不能達到管網的正常壓力時，壓力傳感器的信號與變頻器的信號一起被PLC檢測到，PLC會將在原變頻狀態下的水泵投入到工頻運行，以保持壓力的持續性，同時將一臺備用的泵以變頻狀態啟動后投入工作，以加大管網的供水量，確保壓力正常。當用水量減少時，首要表現為變頻運行的水泵的頻率將自動降低，這時管道壓力值出現過高，PLC將工頻作業的水泵停運，以削減供水量，由一臺以變頻運行的水泵恒壓供水，實現高效節能供水[7]。

3.3.3 供水系統水量控制

水量控制是指將水量的變化與閥門的調節或者水泵的啟停、增減互相配合的一種運行上的控制方式，其主要通過現場傳感器設備將數據采集到PLC，并經PID運算后對供水系統中可設備實行相關控制操作。如加壓泵站里水泵在運行過程中需要抽取前池的水量，導致前池液位降低，為保證不中斷用戶供水，需要開啟進水閥向前池補水，此時，前池液位傳感器會將液位的模擬信號輸入給PLC設備，通過PLC程序邏輯運算后，將計算得出的數據通過模擬輸出信號至進水調節閥的控制回路，并使進水閥門自動調節開度向前池補水，若前池液位高度達到PLC內設定最上限時，PLC會下發關閉進水閥命令，停止向前池進水，防止前池溢流，保障泵站各設備安全運行。

3.3.4 供水系統數據采集

為實現水泵機組的自動化控制，以及運行人員對設備操作和運行工況的實時監視，確保設備的完好率和可用性，在水泵運行過程中，存在大量的物理量數據需要采集上傳。如水泵進出口壓力、軸承溫度、水泵轉速、供水流量、蓄水池液位等，它們都是連續變化的模擬量，為了采用PLC測量或控制連續變化的模擬量，就需要使用傳感器或變送器等，變送器可將傳感器檢測到的信號變化量轉換為標準模擬信號，并將模擬信號接到PLC模擬輸入模塊上。在此基礎上，PLC模擬量模塊與上位計算機或觸摸屏利用以太網相連接，運行人員既可以觀察這些數據的當前值，又能及時進行統計分析[8]。

4 結 語

采用PLC變頻技術的加壓泵站供水系統具有功能完善，運行穩定，可靠性高的特點，節能效果顯著，可實現遠程操作，減輕了操作人員的勞動強度，優化了調度操作效率，擴大企業經營效益，具有很高的應用推廣價值。