基于PLC与变频器的恒压供水系统设计与调试

王红梅,孙 平

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

目前,居民生活用水和工业用水增长幅度日益加大,传统的供水方式已经不能满足要求.现今,采用最多的供水方式便是PLC与变频器控制的恒压供水系统.变频恒压供水是通过改变水泵电机的供电频率,调节水泵转速,控制实际供水压力与设定压力一致,保证在用水量变化时供水量也随之变化,实现供水量与用水量的匹配,降低能源消耗和资源浪费,延长系统寿命、节约能源[1].本文介绍PLC与变频器恒压供水系统的设计与调试,以期达到节能、控制简单、供水稳定、减少污染等目的.

1 恒压供水系统电路的设计

本文介绍的恒压供水系统是1控2自动控制系统,即采用一台变频器同时控制两台水泵电机.该系统采用PLC、变频器和触摸屏等元件对供水压力进行恒压自动化控制,可以保证供水压力稳定在一定范围内,同时保证该系统的稳定性和节能性.而且两台水泵电机均具有工频和变频运行两种模式,能自动切换,不进行工频直接启动.

1.1 主电路设计

根据系统控制要求,设计的变频恒压供水控制系统的主电路,见图1[2].本系统选用的是三菱FRF740系列变频器,控制两台电机M1和M2.其中,接触器KM1和KM2分别控制M1和M2的工频运行,接触器KM3和KM4分别控制M1和M2的变频运行.电路设有过流过载保护.

根据两台电机的控制要求,变频器端子与外部的连接图,见图2.

其中：

STF控制电机正转启动,当KA0闭合电机正转,断开时电机停止;

KA1闭合时,电机高速运行;

图1 系统主回路电路图

图2 变频器外部接线图

KA2闭合时,变频器输出停止;

KA3用来解除保护回路动作的保护状态;

AU选择常闭,表明选用端子4和5,用来接受DC4～20 mA的电流输入信号.其中,20 mA对应最大输出频率,且输出频率与输入成正比;

SD为输入信号的公共端.

A1、C1作为继电器输出,指示变频器因保护功能动作时输出停止的转换接点.故障时A1-C1间导通,正常时A1-C1间不导通.

SU用来控制频率到达,如果输出频率达到设定频率的±10%时其为低电平,正在加/减速或停止时其为高电平.

FU用来控制频率检测,当输出频率为任意设定的检测频率以上时为低电平,未达到时为高电平.

SE为集电极开路输出公共端.

1.2 制电路设计

图3为恒压供水系统的控制电路.控制电路设有紧急停止按钮,通过中间继电器KA4～KA7控制1#和2#水泵的工频/变频运行及运行指示,KA8控制故障指示.

图3 恒压供水系统控制电路

1.3 所用PLC输入输出点分配

本恒压供水系统选用的PLC为三菱的FX1N-24MR,根据两台电机及变频器的控制要求,PLC输入输出分配,见表1.这里设置了自动/手动选择开关,以便对系统进行自动和手动控制;以及故障报警输出,以便进行故障诊断和排除.

表1 PLC输入输出点分配

2 恒压供水系统软件设计

在本变频恒压供水系统中,采用一台变频器控制两台水泵恒压供水.当系统启动时,1#水泵运行,通过安装在总管道上的压力变送器,将所测得的信号送入PLC中,与触摸屏设定的压力值比较计算后,输出相应大小的信号以控制变频器的输出频率,从而控制水泵电机的转速.当压力检测值低于设定值,水泵增速;当压力检测值高于设定值,水泵减速,直至压力稳定在设定值.

为了节能并有效延长水泵的使用寿命,在控制两台水泵时采用了以下方法[3]：

(1)系统启动时,变频启动一台水泵,如#1水泵;

(2)若用水量增大,则加大#1水泵控制频率,如果此水泵达到设定的最高频率时仍无法满足要求,则将该水泵切换为工频运行,同时#2水泵变频启动,调节频率,以满足供水要求;

(3)若用水量减小,则优先调节变频运行的水泵,若该水泵运行到下限频率时仍无法满足,则表明这种情况只需一台水泵供水即可,则将另一台水泵停止;

(4)若用水量再增大,按照(2)所述的方法自动切换两台水泵.

3 系统的调试

调试系统时,关键是对变频器参数的设置.由于系统的控制目标是将压力变送器采集到的实际压力与系统设置的压力进行比较,最终将实际压力稳定在设定压力值.这个目标可以通过调节变频器的PID参数实现.

变频器的主要参数设置如下：

(1)上限频率Pr1=50Hz;

(2)下限频率Pr2=20Hz;

(3)基准频率Pr3=50Hz;

(4)加速时间Pr7=15s;

(5)减速时间Pr8=30s;

(6)电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流;

(7)起动频率Pr13=10Hz;

(8)多段速度设定Pr4=20Hz;

(9)智能模式选择为节能模式Pr60=4;

(10)设定端子4～5间的模拟量输入为电流信号4～20 mA,Pr267=0;

(11)允许所有参数的读/写Pr160=0;

(12)操作模式选择(外部运行)Pr79=2;

(13)其他设置为默认值.

变频器的PID参数设置和调试流程,见图4.

图4 变频器PID调节流程图

在实际调试时,如果水压在设定值上下有剧烈的抖动,则应该调节PID指令的微分参数,将值设定小一些,同时适当增加积分参数值.如果调整过于缓慢,水压的上下偏差很大,则系统比例常数太大,应适当减小,直至PID参数能满足系统要求.

4 结 语

通过对PLC与变频器控制的恒压供水系统的设计与调试,经实际运行证明,本系统具备以下特点：

(1)可由一台PLC和一台变频器控制多台水泵,实现多台水泵循环启动.

(2)压力可通过触摸屏在可设定范围内随意设定,自动调整恒定水压,并可实时监测工作状态.

(3)配有手动应急装置,可靠性高,保护功能完善.

(4)节电效果显著,节电率高.

[1]周进兵.两台水泵变频调速恒压供水电路的应用[J].山西建筑,2010(3)：202-203.

[2]王红梅,方贵盛.基于PLC与变频器的恒压供水节能技术研究[J].浙江水利水电专科学校学报,2009,12(4)：26-28.

[3]李焦明.变频恒压供水控制系统的设计与调试[J].水泥,2009(6)：49-514.