基于變頻器和PLC的恒壓供水系統(tǒng)技術(shù)改造

王志波

摘要：介紹了應(yīng)用變頻器、PLC、壓力傳感器及壓力模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊改成的智能控制系統(tǒng)對供水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，論述了控制系統(tǒng)的工作原理、硬件軟件設(shè)計。通過實(shí)踐證明，PLC與變頻器配合控制，可以較好地實(shí)現(xiàn)恒壓供水和節(jié)能的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；恒壓供水；自動控制

中圖分類號：F403.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，供水系統(tǒng)的供水質(zhì)量及節(jié)能越來越引起人們的廣泛關(guān)注。筆者2006年暑假帶學(xué)員到合作企業(yè)進(jìn)行工學(xué)結(jié)合培訓(xùn)期間，就幫助該企業(yè)搞了供水系統(tǒng)技術(shù)改造，有效地實(shí)現(xiàn)了企業(yè)供水水壓的恒定和節(jié)能目標(biāo)。

1企業(yè)原供水系統(tǒng)存在的問題

該企業(yè)因位于市區(qū)邊緣地帶，市政自來水壓力較低，故建加壓站充壓供水。其原有供水系統(tǒng)使用繼電接觸器進(jìn)行控制，水壓控制由值班電工手工操作，通過啟停加壓站的水泵及調(diào)節(jié)出口閥開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。這種控制方式自動化程度低，系統(tǒng)線路復(fù)雜，故障頻繁，維護(hù)困難，需要工人24小時看守泵房，能效低，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，水壓不夠穩(wěn)定，對員工生活、企業(yè)生產(chǎn)和消防安全都產(chǎn)生不利的影響，很有必要對其進(jìn)行技術(shù)改造。

2技術(shù)改造方案

經(jīng)過深入調(diào)研，結(jié)合具體情況，筆者制定了供水系統(tǒng)技術(shù)改造方案，其要點(diǎn)如下：

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制要求

新的供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、加壓站（蓄水池及泵房）組成，泵房安裝2臺泵機(jī)，采用市政自來水管網(wǎng)和蓄水池水源向企業(yè)管網(wǎng)供水，有多個電動閥控制供水回路和水流量。

供水系統(tǒng)的控制要求如下：

供水系統(tǒng)設(shè)定出水恒壓為0.6MPa。當(dāng)外來自來水壓力低于設(shè)定水壓，或企業(yè)用水量大，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定水壓時，控制系統(tǒng)能自動控制水泵的工作模式及投入運(yùn)行的水泵臺數(shù)。系統(tǒng)以水管壓力與設(shè)定壓力保持一致為原則，時刻采集極限頻率信號和壓力反饋信號，通過PLC進(jìn)行邏輯判斷并輸出相應(yīng)的指令，控制水泵工頻電源供電與變頻器供電的切換，進(jìn)而控制水泵的運(yùn)行，以保證供水系統(tǒng)的水壓恒定。

2.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及工作原理

2.2.1系統(tǒng)主電路硬件設(shè)計及PLC的I/O分配

改造后的控制系統(tǒng)由三菱FX2N—60MR型PLC、FR—A540—15K—CHT1.5KW型變頻器作為控制主機(jī)，加上PS4型壓力傳感器及其壓力模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、接觸器、自動開關(guān)、蓄水池水位電極、水塔水位電極及顯示報警裝置等組成。系統(tǒng)主電路如圖1所示。

系統(tǒng)通過PLC轉(zhuǎn)換開關(guān)，可選擇自動和手動兩種工作方式。當(dāng)選擇手動方式時，可控制各泵在工頻下運(yùn)行與停車，用于定期檢修或變頻器出現(xiàn)故障時臨時供水。在自動方式下，兩臺水泵可變頻工作，也可工頻工作，由PLC4個輸出點(diǎn)（Y1—Y4）控制其接觸器（KM1—KM4）線圈的得電與失電。

系統(tǒng)選用帶電接點(diǎn)式的水壓傳感器，它能將檢測到的壓力信號對應(yīng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號反饋進(jìn)變頻器。系統(tǒng)不但有水壓檢測功能，還有水泵電機(jī)過載保護(hù)、供電相序故障顯示、變頻器故障檢測與報警功能。如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動停機(jī)，同時故障指示燈發(fā)亮。系統(tǒng)對水泵電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)也進(jìn)行相應(yīng)的燈光顯示。PLC的I/O分配圖如圖2所示。

2.2.2控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)設(shè)計時要根據(jù)供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力值給變頻器設(shè)定一個給定頻率值。供水系統(tǒng)工作時，安裝在水泵出水管的壓力傳感器通過相關(guān)轉(zhuǎn)換模塊將檢測到的壓力值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，反饋到變頻器，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，輸入到變頻器的PID控制模塊，與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較。如果傳感器的壓力信號低于設(shè)定壓力時，變頻器就會將頻率升高去改變水泵轉(zhuǎn)速，并通過PLC控制水泵工頻電源供電與變頻電源供電的切換，自動控制水泵運(yùn)行的臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，使供水壓力保持恒定。當(dāng)用水需求量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻（50HZ），此時若供水壓力還達(dá)不到設(shè)定壓力值時，則延時3秒后變頻器的高頻信號進(jìn)入PLC，通過PLC將1#水泵電機(jī)由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行，并起動2#水泵電機(jī)變頻運(yùn)行，以確保供水壓力恒定。當(dāng)用水要求量下降時，壓力傳感器的壓力變化信號與設(shè)定壓力在變頻器中比較后，產(chǎn)生偏差電壓經(jīng)PID控制器運(yùn)算，令變頻器的輸入頻率下降，當(dāng)降至頻率下限（20HZ）時，則PLC延時3秒后關(guān)閉2#泵，留1#泵工頻運(yùn)行。若用水量不斷減小時，PLC就將1#泵切換為變頻運(yùn)行供水，使水壓保持恒定。

2.3變頻器的參數(shù)設(shè)置

變頻器的參數(shù)設(shè)置如下表：

2.4系統(tǒng)的程序設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)工作原理和電路邏輯功能，筆者用三菱GX Developer編程軟件進(jìn)行PLC程序編寫，繪制梯形圖。但為了保險起見，Y1與Y2、Y1與Y3、Y2與Y4之間在程序中也進(jìn)行了互鎖，即Y1與Y2不能同時有輸出，Y1與Y3、Y2與Y4也同樣不能同時有輸出，否則，就會發(fā)生變頻器同時拖動兩臺泵，或工頻電直接串入變頻器輸出端U、V、W而損壞變頻器等嚴(yán)重事故。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。因篇幅所限，PLC梯形圖略。

3結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后投入運(yùn)行，經(jīng)1年多來的使用表明完全達(dá)到設(shè)計要求，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠性高、能耗低、使用維護(hù)方便，無需專人值守泵房。不管外來自來水壓力及企業(yè)用水量如何變化，系統(tǒng)都能保證供水壓力恒定。據(jù)企業(yè)測算，供水系統(tǒng)與改造前比較，每年可節(jié)約電費(fèi)、值守工人工資、設(shè)備維修費(fèi)共10多萬元。實(shí)踐證明，PLC與變頻器配合控制，能較好地實(shí)現(xiàn)恒壓供水和節(jié)能降耗增收的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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