基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳仁君

摘? ?要：本文設(shè)計(jì)一套基于三菱FX-3U系列PLC 控制的恒壓供水系統(tǒng)。該恒壓供水系統(tǒng)，采用一臺三菱A700的變頻器控制三臺水泵循環(huán)運(yùn)行，以管網(wǎng)的實(shí)際壓力為控制對象，實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)壓力，通過三菱模擬量模塊傳輸給PLC，使用PID 調(diào)節(jié)器形成閉環(huán)恒壓變頻控制系統(tǒng)，來控制變頻器頻率的改變輸出，以此來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)的實(shí)際壓力維持在預(yù)設(shè)壓力值。調(diào)試結(jié)果表明，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到1.2MPa時(shí)，變頻器輸出頻率為61Hz，三臺電機(jī)都處于變頻運(yùn)行，此時(shí)調(diào)節(jié)水壓是最穩(wěn)定的。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、壓力輸出穩(wěn)定，節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：PLC? 變頻器? PID調(diào)節(jié)? 恒壓供水

中圖分類號：TD63? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0085-03

Abstract： This paper designs a set of constant pressure water supply system based on Mitsubishi fx-3u series PLC. In the constant pressure water supply system， a Mitsubishi A700 frequency converter is used to control the circulation operation of three water pumps. Taking the actual pressure of the pipe network as the control object， the pressure of the pipe network is collected in real time， transmitted to PLC through the Mitsubishi analog quantity module， and PID regulator is used to form a closed-loop constant pressure frequency conversion control system to control the frequency change output of the frequency converter， so as to regulate the rotation speed of the pump motor and make the pipe The actual pressure of the network is maintained at the preset pressure value. The experiment shows that the system has the advantages of simple structure， stable pressure output and energy saving.

Key Words： PLC; Frequency converter; PID regulation; Constant pressure water supply

傳統(tǒng)的自來水廠供水是由若干臺水泵組成的，工人根據(jù)各時(shí)間段的用水量手動(dòng)調(diào)整工作水泵的數(shù)量。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑技術(shù)水平的提升，建筑樓層越來越高，高樓層供水的問題越來越重要，水壓不穩(wěn)定時(shí)有發(fā)生。傳統(tǒng)的供水方式一般采用高層蓄水、水泵恒速加壓等。存在供水的效率比較低，自動(dòng)化程度較低，系統(tǒng)可靠性較差，尤其是在用水高峰期時(shí)出現(xiàn)高層用戶水壓不夠，無法正常用水的現(xiàn)象。

因此，本文設(shè)計(jì)一套基于三菱FX-3U系列 PLC控制的，結(jié)合PID調(diào)節(jié)器，并采用三菱變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來保持管網(wǎng)壓力恒定的自動(dòng)控制恒壓供水系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)多種操作方式的恒壓變頻供水系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是通過自動(dòng)控制系統(tǒng)改善供水系統(tǒng)傳統(tǒng)調(diào)控中的調(diào)控效率低、可靠性差、成本高的問題，降低能源的消耗，提升效率。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

變頻恒壓供水的基本思路是采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過壓力傳感器和壓力控制系統(tǒng)，把管網(wǎng)的實(shí)際壓力的變化情況轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號（過程變量），再把這個(gè)電信號輸入到具有PID調(diào)節(jié)功能的控制器（PLC或智能儀表等），與控制器的設(shè)定值進(jìn)行PID計(jì)算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電信號作為變頻器的調(diào)節(jié)信號，進(jìn)行變頻調(diào)速，對泵的運(yùn)行速度進(jìn)行控制，達(dá)到恒壓供水的目的[1]。圖1描述了這一過程。

該恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器、A/D模擬量模塊、觸摸屏、繼電器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、三相異步電動(dòng)機(jī)、壓力罐、閥門等組成。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）主電路。

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)由一臺變頻器控制3臺水泵電機(jī)工作，當(dāng)控制系統(tǒng)處于自動(dòng)控制模式時(shí)，水泵只能通過變頻電源工作，此時(shí)由接觸器KM2、KM4、KM6控制電機(jī)的啟停;當(dāng)處于手動(dòng)控制模式時(shí)可以通過工頻電源運(yùn)行，此時(shí)由接觸器KM1、KM3、KM5控制電機(jī)的啟停。3臺水泵電機(jī)分別通過接觸器與變頻器的輸出電源相連接，每臺水泵電機(jī)都具有熱繼電器實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)的功能。系統(tǒng)主電路如圖3所示。

（2）控制電路。

系統(tǒng)的自動(dòng)控制功能是通過PLC控制器實(shí)現(xiàn)的，模擬量模塊實(shí)現(xiàn)壓力的采集和設(shè)置，并輸出模擬量控制變頻器的頻率，變頻器控制3個(gè)水泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度，從而控制管網(wǎng)的壓力。系統(tǒng)控制電路圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)應(yīng)用三菱FX-3U型PLC完成系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)，程序主要由手動(dòng)程序和自動(dòng)程序兩部分組成。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

手動(dòng)模式下，可以利用按鈕控制各臺水泵在工頻狀態(tài)的啟動(dòng)和停止;

自動(dòng)模式下，設(shè)定PUMP1為變頻泵，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)投入運(yùn)行后，首先PUMP1投入變頻運(yùn)行，當(dāng)反饋壓力低于設(shè)定壓力（變頻器一直運(yùn)行在50HZ）時(shí)，5S后PUMP2投入工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器的頻率隨PLC的調(diào)節(jié)，頻率下降，如果此時(shí)反饋壓力仍低于設(shè)定壓力（變頻器一直運(yùn)行在50Hz），5S后啟動(dòng)PUNP3進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)，直到反饋壓力與達(dá)到設(shè)定壓力值;變頻運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)出水閥門，使遠(yuǎn)傳壓力表的壓力恒定在預(yù)期設(shè)定值。當(dāng)3臺水泵均處于運(yùn)行狀態(tài)后，漸漸關(guān)閉調(diào)節(jié)閥1，使用水量減少，水泵PUNMP3首先自動(dòng)切除，隨著調(diào)節(jié)閥2繼續(xù)關(guān)閉，BUMP2自動(dòng)切除，直到PUMP1自動(dòng)調(diào)節(jié)到調(diào)解閥1完全關(guān)閉為止。

PID調(diào)節(jié)過程中，用一組0-5V的可調(diào)直流電源設(shè)定預(yù)期工作壓力;變頻運(yùn)行過程中，調(diào)節(jié)出水閥門，使遠(yuǎn)傳壓力表的壓力恒定在預(yù)期設(shè)定值。當(dāng)3臺水泵均處于運(yùn)行狀態(tài)后，漸漸關(guān)閉調(diào)節(jié)閥1，使用水量減少，水泵PUNMP3首先自動(dòng)切除，隨著調(diào)節(jié)閥2繼續(xù)關(guān)閉，BUMP2自動(dòng)切除，直到PUMP1自動(dòng)調(diào)節(jié)到調(diào)解閥1完全關(guān)閉為止。

以晚高峰，用水量非常大，需要3臺水泵全部運(yùn)行進(jìn)行舉例分析。首先PUMP1泵工頻運(yùn)行，當(dāng)用水需求量增大時(shí)，如PUMP1泵頻率達(dá)到50Hz，水壓還是不足，則延時(shí)30s后，將PUMP1泵設(shè)為工頻運(yùn)行。同時(shí)，將PUMP2泵設(shè)置為變頻運(yùn)行，逐步提高輸出頻率，當(dāng)PUMP2泵頻率達(dá)到50Hz，水壓依然不足，則延時(shí)30s后，將PUMP1、PUMP2兩個(gè)泵都設(shè)置為工頻運(yùn)行，同時(shí)，將PUMP3泵設(shè)置為變頻運(yùn)行。相反，當(dāng)用水量減小時(shí)，各水泵逐漸停止工頻運(yùn)行[9]。

4? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)，是基于PLC和變頻器的閉環(huán)恒壓變頻供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC和變頻器對供水系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制和壓力調(diào)節(jié)，使用PLC調(diào)節(jié)器進(jìn)行運(yùn)算得到調(diào)節(jié)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間的切換，自動(dòng)調(diào)整水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵電動(dòng)機(jī)投入的臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、起動(dòng)平穩(wěn)、壓力穩(wěn)定，同時(shí)還具有良好的節(jié)能效果。

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