變頻器—PLC在自動(dòng)灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用

徐德善

摘 要：本文介紹了以變頻器-PLC為核心構(gòu)成系統(tǒng)的控制原理、結(jié)構(gòu)組成、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。變頻器與PLC配合調(diào)控技術(shù)在水量控制系統(tǒng)成功應(yīng)用，有效地解決了控制負(fù)荷波動(dòng)大，調(diào)節(jié)頻繁和能量損耗大等難題，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉提供科學(xué)理論支持，也說明了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)優(yōu)越的技術(shù)性能和極其顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值和進(jìn)一步的研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變頻器；PLC；比較器；控制系統(tǒng)

1 引言

隨著我國水資源供需矛盾的日益尖銳和水資源環(huán)境的日趨惡化，農(nóng)業(yè)灌溉用水是我國用水的第一大戶，其用水量占全國工農(nóng)業(yè)總用水量的80%以上，且整體利用效率不高。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)的節(jié)水潛力很大。然而科學(xué)合理的灌溉又是節(jié)約資源和更好的施灌的保證。

目前，在自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中有很大一部分水泵電機(jī)是不變速拖動(dòng)系統(tǒng)，不變速電機(jī)的電能大多消耗在適應(yīng)供水量的變化而頻繁的開停水泵中。這樣不但使電機(jī)工作在低效區(qū)、減短電機(jī)的使用壽命，而且電機(jī)的頻繁開、停使設(shè)備故障率很高，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重浪費(fèi)，系統(tǒng)的維護(hù)、維修工作量較大。

傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)落后。原先用人工進(jìn)行供水灌溉和水位控制，由于無法每時(shí)每刻對水位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位監(jiān)測，很難準(zhǔn)確控制水泵的起停；使用浮標(biāo)或機(jī)械等水位控制裝置使供水狀況有了一些改變，但由于機(jī)械裝置的故障多，可靠性差，給維修帶來很大的麻煩。

2 系統(tǒng)概述

在壓力控制方面的優(yōu)越性能可以解決水量控制系統(tǒng)存在的以上問題?？紤]選用單片機(jī)或PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)都能達(dá)到較好的控制效果。但在軟件設(shè)計(jì)上，PLC比單片機(jī)的編程更簡潔、直觀；從硬件接口考慮，單片機(jī)電路稍微復(fù)雜一些；從經(jīng)濟(jì)方面考慮，由于PLC工藝的日漸成熟，小型PLC的成本與單片機(jī)相差無幾，由于要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，PLC的軟件中時(shí)間參數(shù)的調(diào)整更簡單，這樣更有利于售后服務(wù)人員掌握?；谝陨显?，選用了西門子系列PLC與三菱的變頻器作為控制核心，再加上比較器與壓力變送器，控制效果非常好，軟件設(shè)計(jì)簡單，硬件接口簡易可行、可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比較高。

在供水系統(tǒng)中引進(jìn)變頻器結(jié)合小型PLC技術(shù)，不僅改變傳統(tǒng)用閥門控制水量多少，而且在節(jié)能、壓力、流量控制等方面均有非常好的效果，本文介紹了變頻器--PLC調(diào)控技術(shù)在水泵控制中的應(yīng)用。

3 系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)用一臺變頻器可以帶三臺水泵電動(dòng)機(jī)，每臺水泵既可以工作在常規(guī)工頻模式，也可以工作在變頻模式。每臺泵只能處于變頻或工頻其中一種工作模式，也可以通過兩個(gè)繼電器互鎖保證它的安全與可靠，本系統(tǒng)運(yùn)用用傳送指令。主電路如下所示：

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖二所示，利用安置在的灌溉用水中的壓力變送器將水的壓力信號傳輸?shù)奖容^器，根據(jù)與比較器的設(shè)定值和報(bào)警上下限比較，送信號給PLC與變頻器，系統(tǒng)的起停泵分別由比較器的壓力下限信號和變頻器的頻率下限信號決定，假如壓力低，比較器給PLC一個(gè)壓力下限信號，PLC啟動(dòng)變頻器，并使一號泵處于變頻工作狀態(tài)， 輸出的頻率逐漸增大，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)節(jié)，如壓力還低，這時(shí)，PLC讓一號泵處于工頻狀態(tài)工作，使二號泵處于變頻工作狀態(tài)泵，如壓力還低，則讓二號泵處于工頻狀態(tài)工作，使三號泵處于變頻工作狀態(tài)，如此類推。

當(dāng)壓力達(dá)到調(diào)節(jié)器上限報(bào)警值時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出降低，變頻器頻率降低，低到頻率下限設(shè)定值，這時(shí)變頻器給出一個(gè)頻率下限信號給PLC，PLC根據(jù)先啟先停的原則控制泵的運(yùn)行順序，例如，PLC收到頻率下限信號時(shí)， 系統(tǒng)中泵的狀態(tài)是一號工頻，二號工頻，三號變頻，這時(shí)一號泵最先啟動(dòng)，所以先停，接著如壓力還高，則停二號泵。系統(tǒng)采用了每次都進(jìn)行低速啟動(dòng)，高速運(yùn)行以提高運(yùn)行效率。

若要保證更為精確的精度和更高的利用率則可以帶測速發(fā)電機(jī)控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在這里軟件程序不予以介紹，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件以SIEMES公司的S7-200軟件進(jìn)行梯形圖設(shè)計(jì)，通過專用電纜把程序下裝到PLC中。

SIEMES S7-200軟件的梯形圖是逐行掃描，頻率大約100ms一次，PLC軟件設(shè)計(jì)思路是列出所有泵可能的運(yùn)行狀態(tài)，每種狀態(tài)處理兩種情況，有壓力下限信號時(shí)增加泵，當(dāng)無壓力下限而有頻率下限信號時(shí)減少泵，按照先啟先停的原則，可列出水泵運(yùn)行的所有組合狀態(tài)。狀態(tài)表略。

其中狀態(tài)6、狀態(tài)7、狀態(tài)9，由于次序啟動(dòng)、先啟先停的原則是不可能出現(xiàn)，可以不考慮。狀態(tài)1只有增加泵處理程序，狀態(tài)11，狀態(tài)12，狀態(tài)13，只有減少泵處理程序。梯形圖輸入、輸出點(diǎn)的含義可對照硬件接口圖略。

另外測速發(fā)電機(jī)測得的結(jié)果給比較器，通過比較器將信號傳送給PLC和變頻器，它們之間用DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器連接。這樣便控制了電動(dòng)機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速。所以結(jié)構(gòu)框圖中設(shè)計(jì)了雙重反饋電路即由測速發(fā)電機(jī)組成的速度反饋和由壓力傳感器組成的壓力反饋系統(tǒng)。

本文由于篇幅原因，只給出部分梯形圖，后面程序以此類推。以下是灌溉系統(tǒng)的手動(dòng)部分，自動(dòng)部分程序只需在加計(jì)數(shù)器CU、CD處考慮到壓力傳感器的上下限位即可。

以下為PLC控制電動(dòng)機(jī)啟停的處理程序，軟件上加入定時(shí)器延時(shí)也是可行的，其中Q0.0、Q0.1分別表示故障報(bào)警和缺過水報(bào)警燈。最后的故障處理就是當(dāng)有缺水或過水信號或變頻器故障信號時(shí)把所有的泵與變頻器都停止。

5 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

采用變頻器-PLC自動(dòng)灌溉裝置有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

A：節(jié)電效益高。傳統(tǒng)水泵電機(jī)均采用大容量電機(jī)，用閥門控制水量恒定，造成電能浪費(fèi)。變頻系統(tǒng)，無論工作參數(shù)如何，電機(jī)的效率不會降低，電機(jī)的功率因數(shù)會得到提高。

B：運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。系統(tǒng)中的核心部件—變頻調(diào)速器本身的可靠性很高，一般情況下可連續(xù)使用10萬/h以上。系統(tǒng)還采用軟啟動(dòng)方式，不存在電氣沖擊，不污染電網(wǎng)，而且變頻器自帶欠壓、過壓、過流、過載、過熱以及失速等各種保護(hù)功能。系統(tǒng)對管網(wǎng)壓力波動(dòng)采取阻尼濾波處理，供水恒壓精度較高。

C：結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。裝置的控制系統(tǒng)采用集成度高，配套方案靈活多樣，由可編程控制器得到水泵運(yùn)行的各種組合。調(diào)速范圍廣，對水量變化的適應(yīng)能力強(qiáng)。

D：使用壽命長，自動(dòng)化程度高，維護(hù)量少。以上系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用中效果顯著，如將PLC與變頻器中自帶編程器的功能集成，可開發(fā)成一些專用的變頻器，這樣系統(tǒng)的可靠性與健壯性大大增強(qiáng)，應(yīng)用更加簡單，系統(tǒng)的總成本也會下降。

參考文獻(xiàn)

[1]宮淑貞 王冬青《可編程控制器原理及應(yīng)用》，人民郵電出版社 2002

[2]丁斗章 《變頻調(diào)速技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用 》，機(jī)械工業(yè)出版社 2005