基于三菱可編程邏輯控制器與變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)設計

馮小玲， 羅鋒華， 房 馳

(江西現(xiàn)代職業(yè)技術學院，江西南昌 330095)

0 引言

隨著可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展，迫求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適應生活水、工業(yè)用水及消防用水等多種場合的供水要求。

1 恒壓供水系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)整體組成如圖1所示。系統(tǒng)采用了3臺主水泵機組和1臺輔助泵機組并聯(lián)供水方式，選用專為風機、泵用負載設計的普通功能型U/f控制方式的三菱變頻器(型號FR-A540)，變頻器內(nèi)置PID控制模塊;PLC選用具有I/O點數(shù)，16/16的三菱FXZN-32MR;壓力變送器選用普通壓力表Y-100和XMT-I270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。系統(tǒng)設有選擇開關K，可選擇系統(tǒng)在自動和手動狀態(tài)下工作，當選擇手動狀態(tài)時，可分別通過按鈕控制4臺泵單獨在工頻下運行與停止，這主要用于定期檢修臨時供水。當選擇自動狀態(tài)工作時，PLC首先利用變頻器軟起動一臺加壓泵，此時安裝管網(wǎng)上的傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反饋進變頻器，與預先通過變頻器面板設定的給定壓力進行比較，通過變頻器內(nèi)部PID運算，調(diào)節(jié)變頻器輸出功率。在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管網(wǎng)壓力仍達不到壓力設定值，PLC將當前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并關斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺泵，由變頻器軟起動該泵，這樣可根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結合，使供水壓力始終保持為設定值。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)組成

1.2 用戶供水流程簡圖

該系統(tǒng)可應用于多層或高層樓，恒壓供水系統(tǒng)流程簡圖如圖2所示，供水系統(tǒng)方案簡圖如圖3所示。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)流程簡圖

2 系統(tǒng)控制電路的設計

2.1 PLC控制電路的設計

圖3 供水系統(tǒng)方案簡圖

PLC的I/O端子分配及接線如圖4所示。在控制電路的設計中，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。控制電路中還要考慮電路之間互鎖的關系，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。因此，在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設計。另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行。因此，系統(tǒng)對各電機的變頻運行也作了互鎖設計?？刂齐娐愤€考慮了電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示的設計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合，來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。

2.2 變頻器電路的設計

變頻器接線圖如圖5所示。

圖4 PLC的I/O端子分配及接線圖

圖5 變頻器接線圖

2.3 變頻器內(nèi)部PID的控制

三菱FR-A540型變頻器的內(nèi)置PID控制功能可用圖6來說明:通過對水壓設定值與壓力傳感器的反饋信號進行比較，產(chǎn)生差值，其偏差值由變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器按預先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算，得出調(diào)節(jié)信號，用來控制變頻器的輸出電壓和頻率，從而改變水泵轉(zhuǎn)速以保持管網(wǎng)恒定的水壓。

圖6 變頻器內(nèi)置PID控制功能圖

2.4 壓力傳感器

壓力傳感器接線如圖7所示。

圖7 壓力傳感器接線圖

3 系統(tǒng)控制程序設計

根據(jù)恒壓供水操作要求，PLC控制系統(tǒng)要隨時監(jiān)控自來水以及供水口的情況來決定是否要起動水泵，或是采用直抽水充壓方案還是采用抽水池水充壓的方案。控制系統(tǒng)的程序較復雜，PLC控制程序設計的主要任務是接收各種外部開關量信號的輸入，判斷當前的供水狀態(tài)、輸出信號去控制繼電器、接觸器、信號燈等電器的動作，進而調(diào)整水泵的運行，并給出相應指示或報警。供水系統(tǒng)控制程序的主流程如圖8所示。主要有欠水位模塊、壓力上下限處理模塊、自動工頻運行模塊、輔助泵/主泵運行轉(zhuǎn)換模塊、增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊和減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊。

圖8 供水系統(tǒng)控制主流程圖

3.1 增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊

增加主泵是將當前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，PLC給出控制信號，PLC的Y0失電，變頻器的FwD端子對CM短接，變頻器的自由制動停車，切斷變頻器輸出，延時500 ms后，將主水泵與變頻器斷開，延時300 ms(防止變頻器輸出對工頻短路)，將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，再延200～300 ms，PLC的Y0得電，變頻器以起始頻率起動一臺新的主水泵，這段程序設計時要充分考慮動作的先后關系及互鎖保護。

3.2 減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊

減少主泵是指多臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，按“先起先?！痹瓌t，將當前運行狀態(tài)中最先進入工頻運行的水從電網(wǎng)斷開。

3.3 故障處理模塊

對水位過低、水壓上下限報警、變頻器故障等給出報警，并做出相應的故障處理。

(1)欠水位故障:進入欠水位處理模塊，停止全部的電機運行，防止水泵空轉(zhuǎn)。當欠水位信號解除后，延時一段時間，自動執(zhí)行以下程序。

(2)壓力上下限報警:輸出報警信號，報警信號30 s內(nèi)未解除，則進入水壓報警處理模塊，停止全部的電機運行，信號解除則自動運行以下程序。

(3)變頻器故障:變頻器出現(xiàn)故障時，對應PLC輸入繼電器X5動作，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入自動工頻運行模塊，此時變頻器退出運行，三臺主泵電機均工作于工頻狀態(tài)，該方式下水泵的投入和切除順序與自動變頻恒壓運行方式時大致相同，只是原來運行在變頻狀態(tài)下，現(xiàn)在的改為了工頻運行。由于沒有了變頻器的調(diào)速和PID調(diào)節(jié)，水壓無法恒定，為防止出現(xiàn)停開一臺水泵水壓小，而增開一臺水泵又超壓造成系統(tǒng)的頻繁切換，通過增加延時的方法來解決。設定延時時間為20 min。

4 系統(tǒng)運行

系統(tǒng)中PLC采集水泵的開/停、手動/自動運行狀態(tài)和用戶蓄水池水位、市政與用戶管網(wǎng)水壓信號及各現(xiàn)場設備的狀態(tài)、運行參數(shù)后，進行聯(lián)鎖、延時和調(diào)節(jié)運算，并對相關設備發(fā)出控制指令，實現(xiàn)對供水現(xiàn)場的過程控制、順序控制、連鎖控制、設備的開機和停機等各種控制，通過PLC的自動控制，做到現(xiàn)場無人值守。當用戶管網(wǎng)因停水而水壓降低時，開起水泵組供水，在用戶與市政管網(wǎng)接口處安裝單向閥，防止水注入市政管網(wǎng);當檢測到市政管網(wǎng)供水后，停止水泵組的運行，水泵供水結束，直接由市政管網(wǎng)對用戶進行供水。當處于消防狀態(tài)時，水泵組全部工頻運行。PLC對蓄水池具有水位超高、超低、注水閥門失控檢測功能一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)報警;同樣，現(xiàn)場設備運行異常時系統(tǒng)也發(fā)出報警。當控制方式打到“手動”時，即進入手動運行方式，此時可通過控制柜的按鈕直接工頻起動任一臺水泵。此工作方式在變頻器損壞或水泵巡檢時使用，這時無法使用變頻功能自動運行方式。當控制方式為“自動”時，如蓄水池水位高于預置的高水位，系統(tǒng)自動工作;水位低于預置的低水位時，自動停機。變頻器根據(jù)PLC的信號控制水泵的運行臺數(shù)和電機運行頻率。(1)當停水時，1#泵變頻運行到額定轉(zhuǎn)速，仍達不到管網(wǎng)供水壓力設定值0.4 MPa時，經(jīng)延時后將1#泵投切為工頻運行(避免由于干擾等而引起誤動作)，同時變頻器頻率由50 Hz滑行停車至0 Hz;2#泵再變頻運行，到額定轉(zhuǎn)速時如果仍達不到供水壓力設定值，2#泵投切為工頻運行。這里，兩臺水泵都設置為循環(huán)變頻軟起運行，水泵的切換延時時間則要根據(jù)電機功率進行設定。(2)當供水正常后，用戶管道進口壓力達到壓力設定值0.4 MPa時，PLC自動發(fā)出控制信號，變頻器按設定的順序逐步減少運行的水泵臺數(shù)，直到最后泵在最低設定轉(zhuǎn)速運行時停機，由市政管網(wǎng)供水。(3)換泵時，為防止頻繁起動，系統(tǒng)設有泵切換壓力誤差，當壓力高于或低于設定壓力時，允許有一定的壓力誤差，在誤差范圍內(nèi)，水泵不進行切換。這樣就減少了水泵的切換次數(shù)，避免頻繁切換。若壓力誤差超過切換壓力誤差范圍，則開始延時切換。(4)平時3#泵變頻運行，保持消防管網(wǎng)的供水壓力;當消防用水時，4#泵工頻運行，其他泵也投切為工頻運行，滿足消防用水壓力。

5 結 語

采用PLC和變頻器相結合的方案設計的恒壓供水控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正意義上的無人值守的全自動起閉、循環(huán)切換水泵、生產(chǎn)生活用水時低恒壓變頻運行、消防用水時高恒壓工頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，由于變頻器具有軟起動功能，消除了起動大電流對電網(wǎng)的沖擊，從而延長泵的使用壽命。該系統(tǒng)不僅能保證用戶的用水和消防需求，同時還可解決現(xiàn)供水系統(tǒng)存在的問題，而且節(jié)能效果顯著。因此，在節(jié)能和改善用戶的生產(chǎn)生活質(zhì)量上有著重要的實際意義。

［1］西門子(中國)有限公司.SIMATIC S7-200可編程序控制器產(chǎn)品目錄［G］.2002.

［2］田淑珍.編程控制器原理及應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［3］日本三菱公司.三菱微型可編程控制器［G］.1998.

［4］李麗敏，葉洪海，張玲玉.PLC恒壓供水系統(tǒng)的設計［J］.自動化與儀器儀表，2008(01):19-25.

［5］劉帥，齊向東，王興.基于PLC的模糊恒壓供水系統(tǒng)［J］.工業(yè)控制計算機，2010(12):51-54.

［6］戴劍飛.變頻微控調(diào)速裝置在恒壓供水系統(tǒng)中的應用［J］.中國設備工程，2010(12):53-55.

［7］鄭平，范學玲，趙振林.基于PLC與變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)設計［J］.硅谷，2010(12):57.

［8］吳學娟，郎朗.模糊自適應控制在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應用［J］.工業(yè)控制計算機，2010(11):53-54.

［9］孫凱.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計［J］.中國制造業(yè)信息化，2010(10):50-52.

［10］黃小平.變頻恒壓供水系統(tǒng)在高層建筑中的實際應用［J］.低溫建筑技術，2010(07):100-103.

［11］包西平，趙穎.全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)設計［J］.機電工程技術，2010(07):27-30.

［12］閆軍，康會峰，張偉等.模糊控制在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應用研究［J］.機械設計與制造，2009(12):43-45.

［13］閔絢，譚思云，陳敏.基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)研究［J］.儀表技術，2009(09):46-48.

［14］曹菁，洪雪峰.基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)研究［J］.工業(yè)控制計算機，2008(12):72-73.