PLC+變頻器的自來水廠循環(huán)投切恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計

馬莉 王超 宋莉莉

摘要：設(shè)計基于PLC和變頻器控制的多泵循環(huán)變頻恒壓供水方案，根據(jù)管網(wǎng)壓力、流量信號自動調(diào)整泵運行數(shù)量及狀態(tài)；泵運用變頻調(diào)速控制管網(wǎng)水壓；系統(tǒng)含自動及手動運行方式，運用PID調(diào)節(jié)原理，實現(xiàn)供水和用水的動態(tài)平衡。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；恒壓供水；循環(huán)投切；PLC；PID

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0016-04

1 引言

隨著社會工業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對水的質(zhì)量和供水設(shè)備的可靠性要求越來越高。高層建筑供水壓力存在問題，其關(guān)鍵在于供水質(zhì)量，需要保證供水安全；把先進(jìn)的自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)應(yīng)用到供水領(lǐng)域，形成自動化供水系統(tǒng)[1]。構(gòu)建節(jié)約型社會已成為當(dāng)今社會的主流話題。

PLC和變頻器聯(lián)合控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)已成為當(dāng)今解決供水問題的主要方案。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。PLC適用于各行各業(yè)及各種場合中的監(jiān)測，檢測及控制的自動化[2]。為實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的需要，采用變頻器實現(xiàn)電動機(jī)啟動，運行，調(diào)速，制動控制。傳統(tǒng)供水模式，電動機(jī)頻繁開啟停止，設(shè)備故障率高，效率低，水資源浪費嚴(yán)重?；赑LC、變頻器等的工控產(chǎn)品構(gòu)成了節(jié)能、恒壓供水自動控制系統(tǒng)，這是今后我國供水系統(tǒng)升級的主流趨勢。同時，系統(tǒng)的設(shè)計也有利于提升企業(yè)工作效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本設(shè)計采用變頻器+可編程控制器+壓力傳感器+液位傳感器+軟啟動器+動力控制線路組成。系統(tǒng)主要由一臺三菱FX2NPLC，一臺西門子MM430變頻器，四臺水泵電機(jī)，一個地面水池，一個壓力傳感器，兩個液位傳感器及一個軟啟動器，若干繼電器，聲光報警，工控機(jī)等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要任務(wù)是利用PLC和變頻器控制水泵的循環(huán)投切運行，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定，由變頻器控制水泵的啟停和轉(zhuǎn)速，主水管網(wǎng)水壓通過壓力傳感器之后，可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺@時在PLC中輸入模擬量信號，PLC按照壓力設(shè)定值、實際壓力值展開PID計算，通過模擬量輸出模塊將控制信號傳輸給變頻器，隨后完成水泵電機(jī)供電電壓、頻率的調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)原理說明

系統(tǒng)中四臺水泵是并列運行方式，變頻運行水泵從地面水池抽水供給居民，主水管網(wǎng)水壓經(jīng)壓力傳感器變換為4-20mA電流信號，經(jīng)模擬量信號輸入PLC，PLC將壓力給定值與實際檢測壓力值做PID運算，輸出控制信號給變頻器；或者將壓力信號經(jīng)PLC送到變頻器的模擬信號輸入端口，利用變頻A/D轉(zhuǎn)換模塊以及PID控制對比設(shè)定值和采集偏差信號值[3]；變頻器顯示的電機(jī)頻率信號，以0-10V電壓信號模擬量輸入PLC，PLC經(jīng)過同向比較判斷，向變頻器發(fā)出頻率升降信號，當(dāng)變頻器接收到PLC所發(fā)出的指令之后，便會改變輸出電流頻率，從而調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終改變水泵的出水量實現(xiàn)恒壓供水。

在用水量少的低谷時期，基于變頻控制作用，1#水泵的運行更加穩(wěn)定，如果用水量加大至水泵全速運行，無法對管網(wǎng)壓力穩(wěn)定提供保證，PLC檢測過程中獲得壓力下限信號、變頻器高速頻率信號，PLC將變頻運行狀態(tài)下的1#水泵轉(zhuǎn)換至工頻運行，使壓力始終保持恒定，并開啟2#水泵變頻器，通過提高管網(wǎng)供水量的方式使壓力維持恒定。如果依然不符合壓力規(guī)定，處于變頻運行狀態(tài)下的2#泵將轉(zhuǎn)換到工頻運行，這時開啟3#水泵變頻。如仍不滿足壓力要求，則將變頻運行的3#泵切換到工頻運行，同時將4#水泵變頻器啟動投入運行。如果用水量減少，那么PLC檢測過程中發(fā)現(xiàn)變頻器在最低速信號時有效，這時若出現(xiàn)壓力上限信號，那么PLC會先停止1#泵，達(dá)到減少供水量的目的。若以上2個信號依然存在，這時將2#水泵停止運行，直至最后一臺泵使用變頻器恒壓供水。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 主電路設(shè)計

設(shè)計硬件系統(tǒng)的過程中，如圖2所示，主電路是由電源、變頻器、水泵以及相關(guān)保護(hù)器件連接而成[4]。電源是380V的三相交流電，通過斷路器連接變頻器，變頻器連接水泵，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過變頻器以輪流的方式開啟四臺水泵電動機(jī)，其中均帶有變頻/工頻的運行狀態(tài)，四臺水泵是循環(huán)投切的工作方式。循環(huán)投切過程由PLC控制，每臺電機(jī)都通過兩個交流接觸器與工頻電源和變頻器輸出連接。

4.2 控制電路設(shè)計

控制電路的設(shè)計中，主要有PLC控制回路（如圖3所示）和水泵控制回路（如圖4所示）?？刂齐姍C(jī)接觸器所做出的動作均是以PLC邏輯程序為依據(jù)[5]。為了達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的，PLC輸出端口不能直接連接交流接觸器，在PLC輸出端口、交流接觸器之間接入中間繼電器，利用中間繼電器對電機(jī)動作進(jìn)行控制，如此一來便可以隔離系統(tǒng)中強(qiáng)電和弱電，使系統(tǒng)使用期限得以延長。

5 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分軟件設(shè)計

在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，如圖5-1和5-2所示，判斷壓力傳感器傳送的壓力信號是否滿足水泵運行條件：當(dāng)管道內(nèi)實際值小于壓力下限值時，增加水泵的數(shù)量投入工作；當(dāng)管道內(nèi)實際壓力大于壓力上限值時，適當(dāng)?shù)臏p少水泵的工作數(shù)量。當(dāng)管道內(nèi)實際值介于上限值和下限值之間時，如圖5-3所示，PLC按照壓力給定值對實際值、給定值進(jìn)行判斷[6]，向變頻器發(fā)送變頻信號：如果給定值大于實際值，那么變頻器的輸出電流頻率將會增大，水泵流量也會隨之加大；如果給定值小于實際值，則相反；實際值與給定值相等，變頻器輸出電流頻率和水泵流量保持不變。PID閉環(huán)負(fù)反饋壓力控制參數(shù)調(diào)節(jié)流程圖如5-4所示；水泵電機(jī)工頻/變頻切換和調(diào)速程序流程如圖5-5所示；常開觸點控制水泵電機(jī)啟動流程圖如5-6所示。

PLC接收壓力傳感器發(fā)出的壓力信號的同時，也會收到地面水池液位傳感器發(fā)出的液位信號，按照設(shè)定值對主觸頭動作進(jìn)行控制[7]。如果液面相比下限值較小、地面水池液位超過上限值，這時會停止PLC控制水泵運行；如果液面相比下限值較大、地面水池液位低于上限值時，這時PLC控制水泵工頻持續(xù)運行。

PLC如果檢測過程中發(fā)現(xiàn)故障，將會自動將故障源切斷，將其切換至可運行備用設(shè)備，開啟故障指示燈并發(fā)出報警信號；若檢測過程中并沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，則會返回至運行程序，使各個部分依然維持正常運行。

PID控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對象構(gòu)成，如圖6所示，是一種閉環(huán)負(fù)反饋控制，所發(fā)揮的負(fù)反饋作用有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制器屬于線性控制器，可以按照給定值r（t）、實際輸出值y（r）所組成控制偏差。

使偏差r（t）比例（Proportion）、積分（Integral）、微分（Differential），在線性組合的作用下形成控制器，從而達(dá)到控制被控對象的目的。PLC中的PID控制模塊帶有對比、差分計算這兩種功能，供水壓力比設(shè)定壓力低，通過變頻器提高運行頻率；反之則降低運行頻率。應(yīng)用壓力變化速度做好差分調(diào)節(jié)工作，若壓力上升至設(shè)定值期間的速度比較快，那么PID運算過程中將會減少執(zhí)行量，保證壓力的穩(wěn)定性。供水壓力經(jīng)過PID調(diào)節(jié)之后所顯示的輸出量，利于交流接觸器組可以輸出至水泵電機(jī)內(nèi)。由PLC控制各接觸器負(fù)責(zé)水泵的切換工作，決定工頻還是變頻，按需要選擇水泵的運行情況，從而使管網(wǎng)水壓保持恒定。

6 結(jié)語

本設(shè)計針對我國大部分城市和地區(qū)居民生活用水的特點，通過PLC+變頻器對變頻調(diào)速循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行控制?？梢詽M足城市自來水用量隨季節(jié)的變化而變化， 隨每日時段不同而變化的要求。用一臺變頻器拖四臺水泵電機(jī)并聯(lián)運行循環(huán)投切變頻調(diào)速恒壓供水。PLC與變頻器聯(lián)合控制水泵電機(jī)的啟停，以及工頻變頻運轉(zhuǎn)。利用變頻器能快速精準(zhǔn)且平滑地調(diào)節(jié)泵電機(jī)轉(zhuǎn)速， 從而改變水壓的大小，達(dá)到恒壓供水的目的。本系統(tǒng)使用靈活可靠，真正做到智能，節(jié)能，衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式。

參考文獻(xiàn)

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