基于PLC 和变频器控制的恒压供水系统

周晓东

大厂回族自治县城乡供水总公司，河北 廊坊 065300

0 引言

在城乡供水系统中，随着高层建筑的广泛建设以及居民小区的规模化发展，原有的高位水塔供水系统已经不能满足恒压供水的要求，采用变频恒压控制是现代供水控制系统的新型方式，变频恒压供水系统可有效地降低“水锤”对泵体冲击、节约电能、维持管网水压恒定、实现无人值守等。具有较大的经济和社会意义。本文论述了一种基于PLC的变频恒压供水系统。利用PLC加以不同功能的传感器、变频器，根据压力传感器测得管网压力的大小及变化来控制加压泵的转速及数量，使水管的压力始终保持在合适的范围内，从而达到恒压供水的目的。

1 恒压供水系统原理

恒压供水的基本思路是：采用电机调速装置控制泵的转速，并自动调整泵的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力。系统任意设定供水压力值，其与反馈总管的压力值通过PID调节后控制调速装置，以调节加压泵的运行速度，从而调节系统的供水压力。与传统的恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统和气压罐供水系统相比，调速恒压供水系统具有供水质量高、灵活性强、能耗少、电动机起制动平稳、无水锤效应等优点，从而获得了广泛应用。

2 系统总体设计

2.1 系统概况

本系统拟在控制2台55kW和3台30kW加压泵相互配合完成恒压供水。本文将以“一拖三”（一台变频器拖动三台加压泵，加压泵功率为30kW），“一拖二”（一台变频器拖动两台加压泵，加压泵功率为55kW）的设备介绍PLC与变频器组成的恒压供水系统的工作原理。同时为了确保不间断供水的要求，另外备有55kW加压泵变频器一台，3台30kW加压泵可降压启动。当水池水位低于下限时系统自动关闭，防止加压泵干抽。

2.2 系统原理图

2.3 主控线路图（见右图）

2.4 工作原理

系统可有两种运行方式：自动运行和手动运行。

2.4.1 自动方式

1）启动程序

在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1号泵变频交流接触器吸合，电机与变频器1连通，变频器1输出频率从O开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈变频器1，经PID运算后变频器1自动控制频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，再次检测压力信号，如压力仍然不够，变频器1输出信号反馈PLC，将1号泵切换为工频，2号泵变频交流接触器吸合，变频启动2号加压泵，频率逐渐上升，当2号泵频率至50Hz，经过延时检测后压力仍不能达到设定值时，变频器1信号反馈PLC，4号泵变频交流接触器吸合，电机与变频器2连通，同时停止1号泵运行，变频器2输出频率从O开始上升直至出水压力达到设定压力，当压力经延时检测后仍不能达到要求时，变频器1输出信号反馈PLC，将2号泵切换为工频，3号泵变频交流接触器吸合，变频启动3号加压泵，频率逐渐上升依次类推增加加压泵。加压泵启动的规律为任意两30kW加压泵运行时，如压力不够，则启动55kW加压泵，当两台30kW加压泵两台55kW加压泵都运行时，如压力不够，则启动剩下的30kW加压泵。

2）加压泵切换程序

如用水量减小，出水压力超过设定压力，变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值(加压泵出水频率，一般为25 Hz)，而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在计时时间内出水压力仍高于设定压力，则根据先投先停和优先停30kW加压泵再停55kW加压泵的原则。PLC将发出指令停止正在运行的加压泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。

3）水池水位检测

在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部加压泵工作，防止加压泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，蜂鸣器发出报警信号提示关闭水源泵。

4）变频器故障处理

当变频器1突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC检测是否有55kW加压泵空闲，如果有就将运行中55kW加压泵切为工频运行，并变频启动空闲55kW加压泵，如果没有或启动后仍然达不到设定压力，则PLC发出信号指令，根据压力情况依次启动加压泵(采用降压启动方式)，此时PLC切换泵则根据实际水压。当变频器3突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发出指令切掉故障变频器启用备用变频器，并保持故障前55kW加压泵运行状况。

2.4.2 手动运行方式

选择此方式时，按启动按钮或停止按钮，可根据需要而分别启停各加压泵（启动方式为变频器软启动）。当启动一个加压泵后，再启动另一个加压泵时，前一个启动的加压泵自动转为工频运行，为了保证变频器充分软启动，每个加压泵软启动间隔为30s。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。

2.5 传感器的作用

本设计使用到了压力传感器和液位传感器。压力传感器是实现闭环控制必不可少的装置，它将压力信号反馈给变频器进行PID调节。液位传感器是决定系统师父能够运行和发出警报的必不可少的装置，对系统的正常运行起到了重要作用。

3 系统设计特点

变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10%～40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。PLC、变频器运行稳定，并设有故障应急处理功能，从而保证了不间断高质量供水。本设计采用两种型号加压泵供水并设有变频工频转换，根据起停泵规律，从而解决了压力临界值时加压泵的频繁启动停止问题，对延长加压泵使用寿命有很大的帮助。3台30kW加压泵在变频器故障时采用降压启动，节省了一定的费用。

4 结论

在供水系统中采用变频调速运行方式，根据实际需压力的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗；变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水。采用变频器对电机实行软启动，启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，减少了设备损耗，延长了使用寿命。总之，采用以PLC和变频器为核心的恒压供水系统具有很强的实用性。

[1]王树主.交频调速系统设计与应用[M].机械工业出版社，2006.

[2]曾毅主.变频调速控制系统的设计与维护[M].山东科学技术出版社，2002.

[3]俞国亮.PLC原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.