基于三菱可编程逻辑控制器与变频器的恒压供水控制系统设计

冯小玲， 罗锋华， 房 驰

(江西现代职业技术学院，江西南昌 330095)

0 引言

随着可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展，迫求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。变频恒压供水系统能适应生活水、工业用水及消防用水等多种场合的供水要求。

1 恒压供水系统组成及工作原理

1.1 系统组成

系统整体组成如图1所示。系统采用了3台主水泵机组和1台辅助泵机组并联供水方式，选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的三菱变频器(型号FR-A540)，变频器内置PID控制模块;PLC选用具有I/O点数，16/16的三菱FXZN-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。系统设有选择开关K，可选择系统在自动和手动状态下工作，当选择手动状态时，可分别通过按钮控制4台泵单独在工频下运行与停止，这主要用于定期检修临时供水。当选择自动状态工作时，PLC首先利用变频器软起动一台加压泵，此时安装管网上的传感器将实测的管网压力反馈进变频器，与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较，通过变频器内部PID运算，调节变频器输出功率。在用水量较大时，变频器输出频率接近工频而管网压力仍达不到压力设定值，PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作，并关断变频器，再将变频器切换到另一台泵，由变频器软起动该泵，这样可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为设定值。

图1 恒压供水系统组成

1.2 用户供水流程简图

该系统可应用于多层或高层楼，恒压供水系统流程简图如图2所示，供水系统方案简图如图3所示。

图2 恒压供水系统流程简图

2 系统控制电路的设计

2.1 PLC控制电路的设计

图3 供水系统方案简图

PLC的I/O端子分配及接线如图4所示。在控制电路的设计中，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。控制电路中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计。另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行。因此，系统对各电机的变频运行也作了互锁设计。控制电路还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省PLC的输出端口，在电路中可以采用PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合，来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。

2.2 变频器电路的设计

变频器接线图如图5所示。

图4 PLC的I/O端子分配及接线图

图5 变频器接线图

2.3 变频器内部PID的控制

三菱FR-A540型变频器的内置PID控制功能可用图6来说明:通过对水压设定值与压力传感器的反馈信号进行比较，产生差值，其偏差值由变频器内部PID调节器按预先规定的调节规律进行运算，得出调节信号，用来控制变频器的输出电压和频率，从而改变水泵转速以保持管网恒定的水压。

图6 变频器内置PID控制功能图

2.4 压力传感器

压力传感器接线如图7所示。

图7 压力传感器接线图

3 系统控制程序设计

根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控自来水以及供水口的情况来决定是否要起动水泵，或是采用直抽水充压方案还是采用抽水池水充压的方案。控制系统的程序较复杂，PLC控制程序设计的主要任务是接收各种外部开关量信号的输入，判断当前的供水状态、输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警。供水系统控制程序的主流程如图8所示。主要有欠水位模块、压力上下限处理模块、自动工频运行模块、辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块和减少主泵的状态转换模块。

图8 供水系统控制主流程图

3.1 增加主泵的状态转换模块

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，PLC给出控制信号，PLC的Y0失电，变频器的FwD端子对CM短接，变频器的自由制动停车，切断变频器输出，延时500 ms后，将主水泵与变频器断开，延时300 ms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，再延200～300 ms，PLC的Y0得电，变频器以起始频率起动一台新的主水泵，这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁保护。

3.2 减少主泵的状态转换模块

减少主泵是指多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水从电网断开。

3.3 故障处理模块

对水位过低、水压上下限报警、变频器故障等给出报警，并做出相应的故障处理。

(1)欠水位故障:进入欠水位处理模块，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动执行以下程序。

(2)压力上下限报警:输出报警信号，报警信号30 s内未解除，则进入水压报警处理模块，停止全部的电机运行，信号解除则自动运行以下程序。

(3)变频器故障:变频器出现故障时，对应PLC输入继电器X5动作，系统自动转入自动工频运行模块，此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态，该方式下水泵的投入和切除顺序与自动变频恒压运行方式时大致相同，只是原来运行在变频状态下，现在的改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调节，水压无法恒定，为防止出现停开一台水泵水压小，而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20 min。

4 系统运行

系统中PLC采集水泵的开/停、手动/自动运行状态和用户蓄水池水位、市政与用户管网水压信号及各现场设备的状态、运行参数后，进行联锁、延时和调节运算，并对相关设备发出控制指令，实现对供水现场的过程控制、顺序控制、连锁控制、设备的开机和停机等各种控制，通过PLC的自动控制，做到现场无人值守。当用户管网因停水而水压降低时，开起水泵组供水，在用户与市政管网接口处安装单向阀，防止水注入市政管网;当检测到市政管网供水后，停止水泵组的运行，水泵供水结束，直接由市政管网对用户进行供水。当处于消防状态时，水泵组全部工频运行。PLC对蓄水池具有水位超高、超低、注水阀门失控检测功能一旦发生异常，系统报警;同样，现场设备运行异常时系统也发出报警。当控制方式打到“手动”时，即进入手动运行方式，此时可通过控制柜的按钮直接工频起动任一台水泵。此工作方式在变频器损坏或水泵巡检时使用，这时无法使用变频功能自动运行方式。当控制方式为“自动”时，如蓄水池水位高于预置的高水位，系统自动工作;水位低于预置的低水位时，自动停机。变频器根据PLC的信号控制水泵的运行台数和电机运行频率。(1)当停水时，1#泵变频运行到额定转速，仍达不到管网供水压力设定值0.4 MPa时，经延时后将1#泵投切为工频运行(避免由于干扰等而引起误动作)，同时变频器频率由50 Hz滑行停车至0 Hz;2#泵再变频运行，到额定转速时如果仍达不到供水压力设定值，2#泵投切为工频运行。这里，两台水泵都设置为循环变频软起运行，水泵的切换延时时间则要根据电机功率进行设定。(2)当供水正常后，用户管道进口压力达到压力设定值0.4 MPa时，PLC自动发出控制信号，变频器按设定的顺序逐步减少运行的水泵台数，直到最后泵在最低设定转速运行时停机，由市政管网供水。(3)换泵时，为防止频繁起动，系统设有泵切换压力误差，当压力高于或低于设定压力时，允许有一定的压力误差，在误差范围内，水泵不进行切换。这样就减少了水泵的切换次数，避免频繁切换。若压力误差超过切换压力误差范围，则开始延时切换。(4)平时3#泵变频运行，保持消防管网的供水压力;当消防用水时，4#泵工频运行，其他泵也投切为工频运行，满足消防用水压力。

5 结 语

采用PLC和变频器相结合的方案设计的恒压供水控制系统，实现了真正意义上的无人值守的全自动起闭、循环切换水泵、生产生活用水时低恒压变频运行、消防用水时高恒压工频运行，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转，由于变频器具有软起动功能，消除了起动大电流对电网的冲击，从而延长泵的使用寿命。该系统不仅能保证用户的用水和消防需求，同时还可解决现供水系统存在的问题，而且节能效果显著。因此，在节能和改善用户的生产生活质量上有着重要的实际意义。

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