基于PLC的恒压供水系统设计

施宏伟 李维国

引言：

近几十年来变频调速技术在工业化国家已开始了规模的应用。80年代末，我国的民用及工业建筑电气设计等领域也开始使用变频调速技术。变频调速与传统（如直流电机调速）比较，具有很大的优越性：整个系统体积小，重量轻，控制精度高，保护功能完善，操作过程简便、可靠性高、通用性强，尤其是该技术用于一些高耗能设备的控制上，具有非常显著的节能效果。通过对用电设备进行变频调速技术改造，可使总耗电量减少30%—40%，节能的量级产生了一种飞跃。

变频供水是从20世纪90年代迅速发展起来的一项供水应用新技术，主要用于水厂、各种类型的生产厂、高层楼宇的供水系统，具有水压恒定、噪声小、节能等一系列优点。由于供水系统在运行中流量和水压在一天中的变化较大，如果使用传统的电气控制，设备启动频繁，电流和水压冲击严重及设备维修量大，而且对供水压力的控制来说也很麻烦，总得人工对水泵进行启停操作，浪费大，最终还影响供水质量，供水成本也高，而变频供水的出现使这些问题迎刃而解。

作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。当前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器。恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

一、恒压供水系统设计方案

（一）恒压供水系统的组成及工作原理

采用了3台水泵机组并联运行供水方式，其中1、2号泵即可变频又可工频运行，3号泵只变频运行；选用专为风机 、泵用负载设计的普通功能型控制方式的三菱变频器（型号FR-A540-11K-CH），变频器内置 PID 控制模块；PLC 选用易于操作的具有I/O点数，16/16的三菱FX2N-32MR；压力变送器选用普通压力表 Y-100 和 XMT-I270 数显仪实现压力的检测、显示和变送。系统设有手动拨码开关，可分别控制1、2号泵单独在工频下的运行与停止，这主要用于定期检修和突发事件临时供水。系统有普通生活供水和火灾供水两种工作模式，系统要工作时PLC首先利用变频器软启动1号泵 ，此时装在管网上的水压传感器将实测的管网压力反馈到变频器，同预先在变频器面板设定的给定值进行比较，通过变频器内部PID运算，调节变频器输出频率，以达到控制电机工作转速。在用水量较大时，变频器输出频率接近频率上限时，PLC通过逻辑运行，将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作，并复位变频器，再将变频器切换到下一台泵，由变频器软起动该泵，达到增大供水量目的。当用水量较小时，压力传感器检测到的管网压力高于给定值时，经过变频器PID运算后，可关断工频运行泵，同时变频器复位，变频工作泵号减一，然后由变频器软启动该泵，以降低水压。这样根据用水量大小调节投入水泵台数的方案在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持给定值。

（二）恒压供水系统其它辅助工作模式

1.水池水位达到下限处理模块

当水池欠水位时，立即关断所有工作泵，防止电机空载运行造成损坏，同时启动报警指示灯，以提醒工作人员做出相应处理。当水位恢复正常灭掉指示灯，由变频器软启动一号泵进入正常运行轨道。

2.变频器故障模块

当变频器故障时，立即关断所有工作泵，报警电铃、指示灯均工作。此时我们可以手动分别控制1、2号泵工频运行，以维持供水。当故障消除，报警电铃、指示灯停止工作，软启动一号泵，变频运行进入正常轨道。

3.火灾模块

火灾时，供水压力设定值变大，指示灯、报警电铃工作，此时供水和普通生活供水类似。灭火后，软启动一号泵，变频运行进入生活供水模式，指示灯、报警电铃停止工作。

二、供水系统组成部件简单介绍

（一）PLC简介

可编程序控制器（PLC）主要以计算机的微处理器为基础，综合计算机的应用技术、通讯技术以及自动控制技术而发展起来的一种通用控制器。最初，PLC还仅是作为继电器接触器控制系统的替代品，而自从进入电气控制系统领域后，凸显了其独有的优越性，以其自身强大的抗干扰能力、自诊断功能、通用性、模块化结构、安装简单、调试方便、维护工作量小、编程语言简单等特点，提高了电气控制系统的可靠性，基本解决了普通继电器及接触器中常见的故障问题，具有很强优越性，得到普遍适用。

本次恒压供水系统设计依据要实现的功能选用三菱FX2N-32MR，经过编程软件测试能很好完成预期功能。

（二）变频器简介

PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制力式之一。它的原理通过控制对象的传感器等检测控制量（反馈量），将其与目标值（温度、流量、压力等设定值）进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。

1.变频器工作原理

本次设计选用内置PID模块的FR-A540变频器来控制水泵电机的工作，简单说明：通过对变频器面板设定的水压值与压力传感器反馈值进行比较，产生偏差，然后由内部PID模块按预先调节规律进行运算，得出调节量，控制变频器输出，从而改变水泵电机转速，来保持供水管网压力恒定。

2.变频器参数设计

输出额定电流---23A

输出额定容量---17.5KVA输出电压（三相）--380V

（三）压力传感器接线图

此装置用于检测供水管网压力，同时把采集到值送人变频器，来达到恒压供水控制要求，

三、系统控制电路设计

（一）系统主电路设计

三台电动机分别为MI、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制一、二、三号泵的变频运行；KM2、KM4分别控制一、二号泵工频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台泵电动机过载保护的热继电器；QS1、QS2、QS3分别为变频器和一、二号泵电动机主电路的隔离开关；VVVF为通用变频器；FU1、FU2、FU3分别为三条线路保护熔断器；FU4

为引出线熔断器；QF为主断路器。

（二）PLC硬件接线电路设计

本次设计选择输入、输出16/16型号PLC进行设计，依据上面设计好的输入输出表格，按照PLC硬件接线规则。

四、总结与展望

变频调速恒压供水系统具有节能、安全、供水质量高等優点。采用PLC为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了具有明显的节能效果外，还具有操作方便、容易，维护量小的特点，变频器的软启动功能也减少了对电网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。总之，采用变频恒压供水系统是一种技术先进、经济实用的选择。

【参考文献】

[1] 漆汉宏主编. 《PLC电气控制技术》.-北京：机械工业出版社.2006.12.

[2]郑宝林主编.《图解欧姆龙PLC入门》.-北京：机械工业出版社.2007.2.

[3] 胡学林.可编程控制器应用技术[M].北京： 高等教育出版社.2001.

[4]三菱公司.FX2N编程手册