基于PLC的变频恒压供水系统浅谈

刘 磊

（兰州铁路技师学院，甘肃 兰州730050）

0 概述

常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民生活供水，其设计均按最大用水负荷选择水泵，而每天24h用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，可节约大量能源，延长设备使用寿命。

以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本等诸多特点，变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷避雷技术、现代控制、远程监控技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控;同时系统具有良好节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

图1

1 工作原理

本系统采用总线分布式控制模式，实现对变频器、水泵等设备的远程集中控制，本系统最高层为计算机监控系统，它包括监控计算机、管理计算机、服务器、集成线、通过Ethernet网，实现各计算机之间的通讯。控制层内的功能由一台PLC与模拟量采集模块负责水池水位、流量、用电量等数据的实时采集、通过RS—485转RS—232方式，将采集数据传输给监控计算机、输出模块调节电动蝶阀的开启或关闭动作和各变频器及水泵的开启或关闭。

本系统最低层为现场设备，保留现场设备原有的手动操作，同时增设远程接口控制电气回路，接受PLC可编程控制器的动作。现场手动方式为控制模式的最高级，任何情况下，当现场控制箱上选择手动操作时，远程对此系统的操作无效。

本系统利用流量计的脉冲信号输入给PLC的I口后由CPU中的程序进行累加处理，处理后送上位机显示，存储并形成报表，各泵的开关状态由继电器把高低电平送入PLC的I口，同时PLC再把各泵的开关状态送给上位机监控计算机，操作者就可以获知各泵的工作状态，各泵的工作电流可以通过套装在各泵电流输入线路上的电流互感器和变送器把工作电流转化为对应的4—20mA的信号送入EM235的的输入接口，EM235内部的DAC把输入的4—20mA的模拟信号转换为数字信号，并通过I/O扩展线把数据送到PLC中，数据经过PLC中的程序处理发送给上位监控计算机，操作者就可以实时动态掌握各泵的工作电流。电动调节阀输出隔离的4—20mA阀位反馈信号给EM235模块，EM235内部的DAC把输入的4—20mA的模拟信号转换为数字信号，并通过I/O扩展线把数据送到PLC中。

2 PLC控制部分

2.1 PLC 选型

水泵M1、M2，M3可变频运行，也可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统停止运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入／输出点数量共为24个点。本系统选用FXos-30MR-D型PLC。

2.2 PLC的接线

图2 PLC的接线图

Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行。

X0接起动按钮，X1接停止按钮，X2接变频器的FU接口，X3接变频器的OL接口，X4接M1的热继电器，X5接M2的热继电器，X6接M3的热继电器。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同时控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。频率检测的上/下限信号分别通过OL和FU输出至PLC的X2与X3输入端作为PLC增泵减泵控制信号。

2.3 PLC 控制流程

PLC在系统中的作用是控制交流接触器组进行工频—变频的切换和水泵工作数量的调整。工作流程如图3所示。

图3 PLC程序流程图

系统起动之后，检测是自动运行模式还是手动运行模式。如果是手动运行模式则进行手动操作，人们根据自己的需要操作相应的按钮，系统根据按钮执行相应操作。如果是自动运行模式，则系统根据程序及相关的输入信号执行相应的操作。

手动模式主要是解决系统出错或器件出问题

在自动运行模式中，如果PLC接到频率上限信号，则执行增泵程序，增加水泵的工作数量。如果PLC接到频率下限信号，则执行减泵程序，减少水泵的工作数量。没接到信号就保持现有的运行状态。

1）手动运行

当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵.该方式仅供自动故障时使用。

2）自动运行

由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。

升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态.当用水量增加水压减小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速;反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速.当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行;同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行.当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警。

降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值.当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。

3）总程序的顺序功能图

系统分为自动运行和手动运行两部分

图4 总程序的顺序功能图

（1）自动运行顺序功能

按下SB8按钮，系统进入自动运行模式，顺序功能图如3.3所示。Y0接KM0控制M1的变频运行，Y1接KM1控制M1的工频运行；Y2接KM2控制M2的变频运行，Y3接KM3控制M2的工频运行；Y4接KM4控制M3的变频运行，Y5接KM5控制M3的工频运行

系统起动时，KM1闭合，#1泵以变频方式运行。 当变频器的运行频率超出一个上限信号后，PLC通过这个上限信号后将1#水泵有变频运行转为工频运行，KM1断开KM0吸合，同时KM3吸合变频起动第2#水泵。

如果再次接收到变频器上限信号，则KM3断开KM2吸合，第2#水泵由变频转为工频运行，3#水泵变频起动。

如果变频器频率偏低，即压力过高，输出的下限信号使PLC关闭KM5、KM2，开启 KM3，2# 水泵变频起动。

再次接到下限信号就关闭KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵变频运行。

为了防止出现某台电动机既接工频电又接变频电设计了电气互锁。在同是控制M1电动机的两个接触器KM1、KM0线圈中分别串入了对方的常闭触头形成电气互锁。

（2）手动模式顺序功能

当按下SB9按钮，系统进入手动运行模式。系统的每步动作都必须有相应的操作。顺序功能图如图3.3所示。

按下按钮SB9之后，启动了变频器，系统进入手动运行模式。当用户按下SBn（n=1，3，5）三台电机分别处于工频运行，当用户按下SBn（n=2，4，6）三台电机分别处于变频运行。可以多台电机于不同的频率工作，但一台电机只能以一种频率下工作。（如#1电机，如果控制它工作的SB1,SB2按钮被同时按下则发出警报且电机无法起动。）

总之恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。实现供水的最优化控制和稳定性控制。