基于變頻器十五段速的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹利剛

（楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌， 712100）

城市里樓房越建越高，保證每戶的用水質(zhì)量非常重要，無論是用水高峰期還是低谷期都要保證水壓在額定的壓力范圍內(nèi)[1][2]。通過變頻器來調(diào)節(jié)水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速是普遍使用的恒壓供水方法[3][4][5]。

變頻器調(diào)速的工作原理是，對于任何一個(gè)電機(jī)，n*p=60f，即轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)的乘積等于六十乘以交流電的頻率[6]，在磁極對數(shù)不變的情況下，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就隨之發(fā)生變化，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，水管承受的壓力就越大[7][8]，當(dāng)壓力達(dá)到上限時(shí)，對應(yīng)壓力傳感器的觸點(diǎn)斷開，水泵電機(jī)自動停止；當(dāng)壓力下降到下限時(shí)，對應(yīng)壓力傳感器的觸點(diǎn)閉合，水泵電機(jī)啟動運(yùn)行[9]。

變頻器通常有三種調(diào)速方法，即三段速、七段速和十五段速調(diào)速[10][11]。大多數(shù)樓房用的是三段速和雙速電機(jī)一起調(diào)速，這種方法要用到普通電機(jī)和雙速電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)經(jīng)過組合后調(diào)節(jié)的速度只有八種，水壓的變化幅度比較大，容易造成短時(shí)水擊過大而使水管破裂，兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)行和維護(hù)成本也相對比較高；七段速調(diào)速方法只用一個(gè)普通電機(jī)，設(shè)備少，維護(hù)成本低，同樣也存在短時(shí)水擊過大而損壞輸水管道的現(xiàn)象[12][13]。

十五段速是變頻器具有的最大調(diào)速范圍，相對于前邊兩種調(diào)速方法，這種調(diào)速細(xì)膩，壓力變化平順，有利于延長壓力水管的使用壽命，設(shè)備少，系統(tǒng)控制邏輯清晰，節(jié)約了運(yùn)行和維護(hù)成本[14]。

一、項(xiàng)目總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)某小區(qū)的18層樓房用水需求，設(shè)計(jì)一套由PLC、變頻器、水泵電機(jī)、壓力傳感器組成的控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)置手動調(diào)試和自動運(yùn)行兩種模式。手動調(diào)試時(shí)按下啟動按鈕，水泵電機(jī)在2HZ的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，每隔5 秒，按順序切換到下一個(gè)頻率運(yùn)行，調(diào)節(jié)過程中隨時(shí)按下停止按鈕，水泵停止運(yùn)行。自動運(yùn)行時(shí)，當(dāng)水管的壓力降到下限時(shí)，水泵電機(jī)以2HZ 的頻率啟動，運(yùn)行5 秒后，自動切換到4HZ 運(yùn)行，再5 秒后，自動切換到6HZ，然后按照圖1 所示的15 段速頻率切換順序運(yùn)行。當(dāng)變頻器在某一頻率下運(yùn)行時(shí)，管道的壓力達(dá)到了上限值，變頻器就自動停止調(diào)速；當(dāng)短時(shí)用水量過大時(shí)，水泵最多能切換到第15 個(gè)運(yùn)行頻率（50HZ），直到壓力達(dá)到上限時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

圖1 變頻器15段速頻率

二、項(xiàng)目實(shí)施

（一）FR-E740變頻器的設(shè)置

變頻器參數(shù)Pr.4、Pr.5、Pr.6 分別設(shè)定第1 段速、第2 段速和第3 段速，Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分別設(shè)定第4 段速、第5 段速、第6 段速、第7 段速，Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239分別設(shè)定第8段速、第9段速、第10段速、第11段速、第12段速、第13段速、第14段速、第15段速。

Pr.7 設(shè)定加速時(shí)間、Pr.8 設(shè)定減速時(shí)間。Pr79設(shè)置運(yùn)行模式，1 是調(diào)節(jié)參數(shù)模式，2 是外部控制運(yùn)行模式。

（二）PLC的I/O分配

啟動按鈕SB1 對應(yīng)X0，停止按鈕SB2 對應(yīng)X1，Y0 對應(yīng)變頻器高速端子RH，Y1 對應(yīng)變頻器中速端子RM，Y2 對應(yīng)變頻器低速端子RL，Y3 對應(yīng)多功能端子REX，Y4 對應(yīng)正轉(zhuǎn)端子STF，輸入和輸出的I/O 分配如表1 所示。把參數(shù)Pr.179 的值設(shè)定為8，就把STR（反轉(zhuǎn)端子）的功能定義為15 段速選擇信號，此時(shí)反轉(zhuǎn)端子就變?yōu)槎喙δ芏俗覴EX。

表1 I/O分配表

（三）PLC和變頻器外部接線

根據(jù)I/O 分配表輸入和輸出變量的個(gè)數(shù)，PLC模塊選擇三菱的FX3u-16MT/ES-A,變頻器選擇三菱FR-E740,三相異步交流電動機(jī)選擇WDJ26。PLC 輸入端接交流220V 電源，PLC 輸入端采用共陽極接法，24V 和S/S 短接，0V 作為輸入端子的公共端，端子X0 接啟動按鈕SB1，X1 接停止按鈕SB2。PLC 輸出端COM1 接變頻器的公共端SD，Y0接變頻器高速輸出端子RH，Y1 接變頻器中速輸出端子RM，Y2 接變頻器低速輸出端子RL，Y3 接變頻器多功能輸出端子REX（即反轉(zhuǎn)端子STR），Y4接變頻器正轉(zhuǎn)輸出端子STF，COM1 和COM2 短接，變頻器輸入側(cè)接380V交流電源，輸出接三相交流異步電動機(jī)。PLC、變頻器和電動機(jī)的外部接線如圖2所示。

圖2 PLC、變頻器和電動機(jī)的外部接線圖

（四）PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的手動和自動功能切換程序如圖3 所示，X2 是手動和自動切換開關(guān)，系統(tǒng)上電后先進(jìn)入手動運(yùn)行狀態(tài)。啟動和停止通過中間繼電器M0 來實(shí)現(xiàn)，15段速運(yùn)行需要15個(gè)時(shí)間繼電器來完成，每一段速運(yùn)行的時(shí)間都是5 秒，第1 段速由M0 啟動運(yùn)行，第2 段速由T0 啟動運(yùn)行，第3 段速由T1 啟動運(yùn)行，以此類推，第15 段速由T13 啟動運(yùn)行。T14常閉觸點(diǎn)起到復(fù)位15 個(gè)時(shí)間繼電器并重新啟動系統(tǒng)運(yùn)行的作用。時(shí)間繼電器輸出部分程序如圖4所示。

圖3 手動和自動切換程序

圖4 時(shí)間繼電器控制的部分程序

變頻器的正向運(yùn)行（Y4）由M0啟動，T14 停止；多功能端子（REX）輸出（Y3）由T7 啟動，T14 停止；低速端子（Y2）輸出由2 條功能相同的并聯(lián)回路分別實(shí)現(xiàn)啟動和停止，中速端子（Y1）輸出由4條功能相同的并聯(lián)回路實(shí)現(xiàn)啟動和停止；高速端子（Y0）由8條功能相同的回路實(shí)現(xiàn)啟動和停止。輸出端子部分程序如圖5所示。

圖5 輸出端子部分程序

當(dāng)按下啟動按鈕SB1后，PLC的Y4置為ON，允許電機(jī)啟動；當(dāng)按下停止按鈕，PLC 的Y4 為OFF 狀態(tài)，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；PLC 輸出接口狀態(tài)和變頻器輸出15段速控制狀態(tài)變化如表2所示。

表2 電動機(jī)15段速輸出狀態(tài)與頻率

（五）調(diào)試運(yùn)行

首先，設(shè)置參數(shù)。

1.按照設(shè)計(jì)的PLC 和變頻器外部接線圖連接電路，先向PLC 里下載一個(gè)空程序，分別按下啟動和停止按鈕，檢查接線是否正確，然后接通PLC 和變頻器電源。

2.把Pr.CL（參數(shù)清除）或ALLC（參數(shù)全部清除）的參數(shù)設(shè)置成“1”，恢復(fù)變頻器出廠參數(shù)。

3.設(shè)置加速時(shí)間和減速時(shí)間。首先設(shè)置面板調(diào)節(jié)參數(shù)模式Pr.79為1，然后設(shè)置加速時(shí)間Pr.7 為0.5秒，減速時(shí)間Pr.8為0.5秒。

4.設(shè)置變頻器15 段速相關(guān)參數(shù)。Pr.4、Pr.5、Pr.6 分別設(shè)置為2、4、6；Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分別設(shè)為8、11、14、17；Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239 分別設(shè)定為：20、24、28、32、36、40、45、50。

5.設(shè)置外部端子控制模式Pr.79為2。

其次，調(diào)試設(shè)備。

1.手動運(yùn)行模式

在手動運(yùn)行模式下，按下啟動按鈕SB1，查看水泵電機(jī)能否按照設(shè)定順序每隔5秒切換到下一個(gè)運(yùn)行頻率，按下停止按鈕SB2，查看電機(jī)能否停止運(yùn)行。

2.自動運(yùn)行模式

在自動運(yùn)行模式下，打開PLC 的模擬軟件，強(qiáng)制氣壓到下限時(shí)對應(yīng)壓力傳感器的觸點(diǎn)閉合，查看水泵電機(jī)能否按照預(yù)定要求啟動并切換運(yùn)行頻率，強(qiáng)制氣壓到上限時(shí)對應(yīng)壓力傳感器的觸點(diǎn)斷開，查看水泵電機(jī)能否停止運(yùn)行。

最后，編寫運(yùn)行說明書。

詳細(xì)編寫系統(tǒng)的設(shè)備清單，運(yùn)行操作說明書，易發(fā)生的設(shè)備故障現(xiàn)象和解決辦法，操作安全注意事項(xiàng)。

總結(jié)

本次設(shè)計(jì)說明了變頻器的調(diào)速原理，總結(jié)變頻器的三段速、七段速和十五段速控制水泵電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，提出了基于變頻器十五段速的恒壓供水控制方式。通過對變頻器十五段速端子的設(shè)置、PLC 的I/O 分配、PLC 和變頻器的外部接線設(shè)計(jì)、PLC 程序的編寫、設(shè)備的運(yùn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對原來控制方式的優(yōu)化和改造。經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)運(yùn)行調(diào)試，這套由變頻器十五段速控制的恒壓供水系統(tǒng)操作簡單安全、運(yùn)行可靠穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的和要求，具有較強(qiáng)的推廣使用價(jià)值[15]。