變頻調速恒壓供水系統設計

閆莎莎

（太原工業學院 自動化系，山西 太原 030008）

0 引言

無論是在日常生活還是生產勞動中，我們都離不開水資源。隨著現代社會的高速發展，如何能夠實現高效穩定的供水是當下我們要考慮的問題，只有有效地分配水資源，才能滿足我們日常生產生活的要求。因此，現在人們將許多的現代控制技術及網絡等運用到供水系統中，使得供水系統跟上時代的發展[1]。

傳統供水方式由于占地面積大、水質容易污染、水壓不能保持恒定等逐漸被淘汰。恒壓供水系統隨著變頻調速技術的發展得到了更加深入的應用。這種供水方式具有技術先進、水壓恒定、操作方便等優勢而廣泛被使用。本研究設計了基于PLC的變頻調速恒壓供水系統，在保證穩定性的同時還實現了資源的高效利用，避免了水資源的浪費，有效地節省了資金。

1 系統硬件電路設計

1.1 設計方案

設計方案為用1臺變頻器控制4臺電機中的1臺，當其中1臺受變頻器控制時，其他電機都以工頻運行，根據實際情況判斷變頻器控制哪一臺電機。這種方案在減少了變頻器臺數的同時，并沒有減少該系統應有的功能，所以從實用性和經濟性考慮是可行的。根據基于PLC實現恒壓供水的原理，系統整體結構如圖1所示。該系統的主要硬件設備包括以下幾個部分：PLC、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、液位傳感器。

1.2 水泵的選型

水泵的選擇依據如下：①設備需要滿足現場流量、揚程、溫度、壓力等參數條件[2]。②具有較廣的工作范圍，能持續工作在高效率區域。③滿足所安裝位置的工作條件。④水泵的尺寸、質量和價格要具有較高的性價比。

水泵選擇型號為IS100-65-315型水泵。國標單極單吸離心式清水泵；泵的吸入口直徑為100 mm；泵的出水口直徑為65 mm；泵的葉輪直徑為315 mm。

1.3 PLC的選型

可編程控制器選擇型號為S7-200-226PLC，變頻器等其他器件在該控制器上都有連接點。輸出的電流大小為400 mA。該CPU擁有24個輸入點、16個輸出點。此外，有一個EM222模塊上有8個數字量輸出，它屬于一種小型PLC，但有著特別強大的功能，可以代替許多硬件完成復雜工作，具有以下優點：①操作特別簡單，容易操作。②安裝方便，適合在不同環境下安裝使用。③運行安全可靠。④容易維修，當某個模塊發生故障時，僅需更換故障模塊。⑤編程簡單易懂，適合初學者使用。⑥通信能力強大。

模擬量選擇EM235模塊，它的輸入點有4個，輸出點有1個[3]。該模塊將1～5 V的信號轉化為標準信號，1 V對應為3 200，轉化為標準信號后為0～32 000，同時將模擬量輸出模塊也轉化為標準信號。

1.4 變頻器的選型

變頻器型號為MICROMASTER 430，該變頻器是水泵類負載專用的變頻器[4]；它的最低功率為7．5 kW，最高功率為250 kW，三相交流電為380～480 V；它擁有特別高的穩定性和靈敏性，可以操控軟件實現多種功能：旁路功用、系統缺水監測、手動操作與自動運行的切換操作及水泵的多泵切換等。

它的停車制動也有多種方式：OFF1、OFF2、OFF3、直流注入制動、復合制動。控制方式有線性V/F控制、FCC線性V/F控制、多點V/F控制、拋物線V/F控制等，本研究主要是控制水泵，所以選擇拋物線V/F控制。

在水泵的多泵切換中，一個變頻器控制多臺水泵的啟停。水泵是通過接觸器投入系統運行，變頻器通過輸出繼電器控制接觸器，從而控制水泵的投入數量；該變頻器不僅可以控制數量，還可以控制單臺水泵的轉速，最終達到恒壓的狀態。

1.5 壓力傳感器的選型

壓力傳感器選擇MIK-P300，它采用了強度比較高的一種芯體，是集成電路，可以將壓力傳感器接收到的信號快速轉化為0～5 V直流或0～10 V直流、4～20 mA的標準信號，可以直接與PLC連接，還可以遠距離傳輸；其材質為不銹鋼，可在腐蝕性環境中工作。抗干擾能力強，穩定性高，而且結構種類多，可以在溫度為-40～85℃的環境下使用，具有極高的性價比。

1.6 電機的選型

因為長期工作在潮濕的環境中，所以電機要有較高的耐腐蝕能力和較強的絕緣性。變頻電機必須選擇專用電機。電機選擇Y80-355小型三相變頻異步電機，該電機擁有安全可靠的制動功能。

1.7 液位變送器的選型控制要求

液位變送器選擇的型號為MIK-P260，可以直接與PLC相連接。該變送器廣泛應用于工業控制中，工作溫度為0～85℃、精度為±0．5%FS、溫漂為2%FS（0～60℃）、24 V直流供電、多級電氣保護；設置量程為0～7m。

1.8 硬件電路設計

根據上述設備選型結果設計出硬件電路的連接。電源電壓為380 V交流電，采用三相五線制，這5條線分別對應A、B、C、N、PE，其中A、B、C是火線，N為零線、PE為地線。利用互感器LH1將電流表PA1接入線路中，用來測總的電流，同時并聯一個電壓表測電路的電壓，當系統電流電壓過大時，斷路器QF1斷開，保障線路和各器件的安全。

工作原理：變頻器VF1通過斷路器QF11與接觸器KM1連接，QF11控制變頻器的通斷。變頻器與4臺電機的變頻器接口端相連接控制水泵的轉速。PLC的輸出為KA1，將其與變頻器相對應的口連接以控制變頻器的啟動與停止、頻率的大小。

第一臺電機的變頻接觸器為KM11，當KM11接通時，第一臺電機此時為變頻運行，如果此時PLC將得到的模擬信號傳送給變頻器，此時變頻器就會控制第一臺電機按一定頻率運行，并且實時調控電機頻率；當KM12接通時，第一臺電機為工頻運行，即按照一定的頻率工作。同時，線路中還有QF12、工頻斷路器、FR12熱繼電器，保護電機不被過電流、過電壓燒壞。

M12是第二臺電機，工作原理與第一臺相同，不同的是當第一臺電機不足以滿足當前壓力值時，第二臺電機的變頻接觸器接通，與變頻器連接。此時，第二臺電機以變頻開始運行，而第一臺電機轉變為工頻運行。

當第二臺電機也無法滿足當前壓力值時，M13變頻啟動，KM31為水泵3電機的變頻接觸器，如果還無法滿足，則第三臺電機也轉工頻運行，然后變頻啟動第四臺電機。

直流開關電源G1，將交流電轉換為直流電，為S7-200可編程控制器提供電源，為EM235模擬量輸入和輸出模塊提供24 V直流電源，壓力傳感器將輸出的4～20 mA的信號接入PLC的模擬量輸入模塊中。

2 控制電路設計

2.1 控制要求和控制電路

在啟動系統之前，先設定系統參數（包括壓力值的上限和下限，液位測量值的上限和下限），控制電機的啟停。當監測到水位低于下限值時，自動打開補水閥，向水池中自動供水；監測到水池水位超過上限值時，停止補水；當監測到水池沒有水時，所有的電機都停止工作。

為了保證每臺電機都不會工作太長時間，防止燒壞電機，需要每隔一段時間輪詢一次，輪詢到的那一臺電機為變頻工作，其他的電機為工頻工作。

當系統啟動后，第一臺電機啟動，隨著水壓的上升，第一臺電機的轉速越來越快，當達到一個上限值之后，第一臺電機變為工頻運行，此時第二臺電機連接變頻器，開始變頻運行[5]。然后第三臺、第四臺電機連接變頻器，直到滿足當前水壓要求，電機停止加速；當檢測到水壓下降，低于設定值時，最后一臺電機頻率減小，速度降低，然后依次減泵，如果壓力值還是大于設定值，則所有的電機退出工作。當電機轉到手動模式時，由人工控制電機的啟動與停止，第一臺電機以工頻運行。

當某一臺電機發生故障時，該臺電機的故障指示燈亮，并且自動退出供水，其余電機仍正常工作，這時就可以檢修故障電機，檢修完后重新投入工作，不會影響其他電機的正常運行。

2.2 PLC模塊接線圖

該PLC的供電電源為24 V直流電，主電路連接220 V的交流電，經過KM1與PLC相連接，EM235模塊負責模擬量的輸入和輸出，接壓力傳感器和液位變送器，另一塊與變頻器連接，用于控制變頻器的啟動與停止。

3 系統運行仿真

3.1 Winc Simulation軟件調試

使用S7-200仿真軟件Wincc Simulation進行仿真測試時，需要將編寫好的程序進行編譯，觀察是否有錯誤。當程序無誤時，將程序保存為awl文件并保存到文件夾中；打開Wincc Simulation軟件，選擇與其對應的CPU型號——CPU226，如果型號不對應，程序無法運行；將EM222數字量模塊和EM235模擬量模塊添加到右邊；可以將awl后綴的文件下裝到該程序中，選擇監視功能，此時就會出現梯形圖窗口，在電機啟動按鈕后，就可以在模擬量模塊中更改壓力的大小值，觀察電機的運行情況。該仿真的優點是可以直接觀察各個開關期間電機的運行情況，便于發現程序的錯誤并進行相應的修改，但并不能直觀地將其與水廠供水連接在一起。

3.2 組態王軟件仿真

在組態王6．55軟件中啟動工程瀏覽器，從中找到設備，選擇COM2進入設備串口的設定，對通信參數進行設定。波特率設置為9 600，通信超時9 000 ms，通信方式為RS232，參數設定完成后與PLC連接；選擇“西門子”PLC的型號為S7-200，然后將通信方式選擇為PPI[6]。通信接口圖如圖2所示。

圖2 通信接口圖

組態王有4種方式與PLC建立連接。其中，PPI通信為“西門子”S7-200專有的一個通信協議，其他型號的可編程控制器是沒有的。PPI通信又可以按照不同的方式連接，第一種為將個人計算機的串口和S7-200的通信口通過PPI電纜相連接起來，它采用的通信方式為串行通信方式；第二種為將個人計算機與可編程控制器通過一種特殊的通信卡相連，在編程軟件中對PPI參數默認值進行設定。

第三種和第四種分別為MPI通信方式和自由通信方式，MPI通信方式類似于PPI的第二種，只需要將個人計算機與MPI的通信卡相連接，就能連接上PLC；自由通信方式是S7-200所特有的一種通信方式，它是一種完全開放的通信，不受各種協議的束縛，而且可以通過使用者自行設定協議。本研究選擇PPI通信，采用串行通信方式。

將PLC的地址與數據類型一一對應。添加與系統有關的數據變量，分別有4臺水泵、工頻運行、變頻運行、輪詢時間、壓力設定、故障反饋、水位設定等參數。變量類型包括內存實數型、內存整數型、內存離散變量、I/O離散、實數變量等。

設計系統監控界面。通過程序多次調試，實現了通過增大或減小壓力測定值觀察4臺電機的啟動情況；每臺電機都有故障按鈕，可以進行故障測試，同時有急停按鈕。在系統運行時點開實時曲線、報警畫面，都會有相對應的曲線和數值。

4 結語

本研究主要介紹了恒壓供水系統設計思路及硬件電路設計、組態王軟件仿真等內容。文章首先闡述了恒壓供水系統在現代生活中的重要性，接著指出了變頻恒壓供水的必然性，然后圍繞系統的主電路及控制電路的設計，提出基于PLC的變頻調速的控制策略，最后通過組態王軟件進行仿真驗證了此系統的可行性。該系統不僅能保證供水的可靠性，還具有施工方便、維修簡易、節能效果好的優點。