基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

施宏偉 李維國

引言：

近幾十年來變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)化國家已開始了規(guī)模的應(yīng)用。80年代末，我國的民用及工業(yè)建筑電氣設(shè)計等領(lǐng)域也開始使用變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速與傳統(tǒng)（如直流電機調(diào)速）比較，具有很大的優(yōu)越性：整個系統(tǒng)體積小，重量輕，控制精度高，保護(hù)功能完善，操作過程簡便、可靠性高、通用性強，尤其是該技術(shù)用于一些高耗能設(shè)備的控制上，具有非常顯著的節(jié)能效果。通過對用電設(shè)備進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，可使總耗電量減少30%—40%，節(jié)能的量級產(chǎn)生了一種飛躍。

變頻供水是從20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一項供水應(yīng)用新技術(shù)，主要用于水廠、各種類型的生產(chǎn)廠、高層樓宇的供水系統(tǒng)，具有水壓恒定、噪聲小、節(jié)能等一系列優(yōu)點。由于供水系統(tǒng)在運行中流量和水壓在一天中的變化較大，如果使用傳統(tǒng)的電氣控制，設(shè)備啟動頻繁，電流和水壓沖擊嚴(yán)重及設(shè)備維修量大，而且對供水壓力的控制來說也很麻煩，總得人工對水泵進(jìn)行啟停操作，浪費大，最終還影響供水質(zhì)量，供水成本也高，而變頻供水的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。

作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計算機技術(shù)有機結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動機調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。當(dāng)前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(diào)速裝置均采用交流變頻技術(shù)，而系統(tǒng)的控制裝置采用PLC控制器。恒壓供水系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，可與城市供水系統(tǒng)的上位機聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)城區(qū)供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，為城市供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟運行的手段。

一、恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案

（一）恒壓供水系統(tǒng)的組成及工作原理

采用了3臺水泵機組并聯(lián)運行供水方式，其中1、2號泵即可變頻又可工頻運行，3號泵只變頻運行；選用專為風(fēng)機 、泵用負(fù)載設(shè)計的普通功能型控制方式的三菱變頻器（型號FR-A540-11K-CH），變頻器內(nèi)置 PID 控制模塊；PLC 選用易于操作的具有I/O點數(shù)，16/16的三菱FX2N-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(shè)有手動撥碼開關(guān)，可分別控制1、2號泵單獨在工頻下的運行與停止，這主要用于定期檢修和突發(fā)事件臨時供水。系統(tǒng)有普通生活供水和火災(zāi)供水兩種工作模式，系統(tǒng)要工作時PLC首先利用變頻器軟啟動1號泵 ，此時裝在管網(wǎng)上的水壓傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反饋到變頻器，同預(yù)先在變頻器面板設(shè)定的給定值進(jìn)行比較，通過變頻器內(nèi)部PID運算，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，以達(dá)到控制電機工作轉(zhuǎn)速。在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近頻率上限時，PLC通過邏輯運行，將當(dāng)前工作的變頻泵由變頻切換到工頻下工作，并復(fù)位變頻器，再將變頻器切換到下一臺泵，由變頻器軟起動該泵，達(dá)到增大供水量目的。當(dāng)用水量較小時，壓力傳感器檢測到的管網(wǎng)壓力高于給定值時，經(jīng)過變頻器PID運算后，可關(guān)斷工頻運行泵，同時變頻器復(fù)位，變頻工作泵號減一，然后由變頻器軟啟動該泵，以降低水壓。這樣根據(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(jié)合，使供水壓力始終保持給定值。

（二）恒壓供水系統(tǒng)其它輔助工作模式

1.水池水位達(dá)到下限處理模塊

當(dāng)水池欠水位時，立即關(guān)斷所有工作泵，防止電機空載運行造成損壞，同時啟動報警指示燈，以提醒工作人員做出相應(yīng)處理。當(dāng)水位恢復(fù)正常滅掉指示燈，由變頻器軟啟動一號泵進(jìn)入正常運行軌道。

2.變頻器故障模塊

當(dāng)變頻器故障時，立即關(guān)斷所有工作泵，報警電鈴、指示燈均工作。此時我們可以手動分別控制1、2號泵工頻運行，以維持供水。當(dāng)故障消除，報警電鈴、指示燈停止工作，軟啟動一號泵，變頻運行進(jìn)入正常軌道。

3.火災(zāi)模塊

火災(zāi)時，供水壓力設(shè)定值變大，指示燈、報警電鈴工作，此時供水和普通生活供水類似。滅火后，軟啟動一號泵，變頻運行進(jìn)入生活供水模式，指示燈、報警電鈴?fù)Ｖ构ぷ鳌?/p>

二、供水系統(tǒng)組成部件簡單介紹

（一）PLC簡介

可編程序控制器（PLC）主要以計算機的微處理器為基礎(chǔ)，綜合計算機的應(yīng)用技術(shù)、通訊技術(shù)以及自動控制技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用控制器。最初，PLC還僅是作為繼電器接觸器控制系統(tǒng)的替代品，而自從進(jìn)入電氣控制系統(tǒng)領(lǐng)域后，凸顯了其獨有的優(yōu)越性，以其自身強大的抗干擾能力、自診斷功能、通用性、模塊化結(jié)構(gòu)、安裝簡單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小、編程語言簡單等特點，提高了電氣控制系統(tǒng)的可靠性，基本解決了普通繼電器及接觸器中常見的故障問題，具有很強優(yōu)越性，得到普遍適用。

本次恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)要實現(xiàn)的功能選用三菱FX2N-32MR，經(jīng)過編程軟件測試能很好完成預(yù)期功能。

（二）變頻器簡介

PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制力式之一。它的原理通過控制對象的傳感器等檢測控制量（反饋量），將其與目標(biāo)值（溫度、流量、壓力等設(shè)定值）進(jìn)行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。

1.變頻器工作原理

本次設(shè)計選用內(nèi)置PID模塊的FR-A540變頻器來控制水泵電機的工作，簡單說明：通過對變頻器面板設(shè)定的水壓值與壓力傳感器反饋值進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差，然后由內(nèi)部PID模塊按預(yù)先調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行運算，得出調(diào)節(jié)量，控制變頻器輸出，從而改變水泵電機轉(zhuǎn)速，來保持供水管網(wǎng)壓力恒定。

2.變頻器參數(shù)設(shè)計

輸出額定電流---23A

輸出額定容量---17.5KVA輸出電壓（三相）--380V

（三）壓力傳感器接線圖

此裝置用于檢測供水管網(wǎng)壓力，同時把采集到值送人變頻器，來達(dá)到恒壓供水控制要求，

三、系統(tǒng)控制電路設(shè)計

（一）系統(tǒng)主電路設(shè)計

三臺電動機分別為MI、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制一、二、三號泵的變頻運行；KM2、KM4分別控制一、二號泵工頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺泵電動機過載保護(hù)的熱繼電器；QS1、QS2、QS3分別為變頻器和一、二號泵電動機主電路的隔離開關(guān)；VVVF為通用變頻器；FU1、FU2、FU3分別為三條線路保護(hù)熔斷器；FU4

為引出線熔斷器；QF為主斷路器。

（二）PLC硬件接線電路設(shè)計

本次設(shè)計選擇輸入、輸出16/16型號PLC進(jìn)行設(shè)計，依據(jù)上面設(shè)計好的輸入輸出表格，按照PLC硬件接線規(guī)則。

四、總結(jié)與展望

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、供水質(zhì)量高等優(yōu)點。采用PLC為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)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。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有很廣闊的應(yīng)用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、容易，維護(hù)量小的特點，變頻器的軟啟動功能也減少了對電網(wǎng)的沖擊，使設(shè)備運行方式更趨于合理，設(shè)備的自動化水平得到提高?？傊?，采用變頻恒壓供水系統(tǒng)是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟實用的選擇。

【參考文獻(xiàn)】

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[3] 胡學(xué)林.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)[M].北京： 高等教育出版社.2001.

[4]三菱公司.FX2N編程手冊