PLC+变频器的自来水厂循环投切恒压供水控制系统设计

马莉 王超 宋莉莉

摘要：设计基于PLC和变频器控制的多泵循环变频恒压供水方案，根据管网压力、流量信号自动调整泵运行数量及状态；泵运用变频调速控制管网水压；系统含自动及手动运行方式，运用PID调节原理，实现供水和用水的动态平衡。

关键词：變频调速；恒压供水；循环投切；PLC；PID

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0016-04

1 引言

随着社会工业的发展和人民生活水平的不断提高，人们对水的质量和供水设备的可靠性要求越来越高。高层建筑供水压力存在问题，其关键在于供水质量，需要保证供水安全；把先进的自动控制技术、网络通讯技术应用到供水领域，形成自动化供水系统[1]。构建节约型社会已成为当今社会的主流话题。

PLC和变频器联合控制的变频调速恒压供水系统已成为当今解决供水问题的主要方案。变频调速恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。PLC适用于各行各业及各种场合中的监测，检测及控制的自动化[2]。为实现生产工艺的需要，采用变频器实现电动机启动，运行，调速，制动控制。传统供水模式，电动机频繁开启停止，设备故障率高，效率低，水资源浪费严重。基于PLC、变频器等的工控产品构成了节能、恒压供水自动控制系统，这是今后我国供水系统升级的主流趋势。同时，系统的设计也有利于提升企业工作效率，实现节能降耗。

2 系统设计方案

本设计采用变频器+可编程控制器+压力传感器+液位传感器+软启动器+动力控制线路组成。系统主要由一台三菱FX2NPLC，一台西门子MM430变频器，四台水泵电机，一个地面水池，一个压力传感器，两个液位传感器及一个软启动器，若干继电器，声光报警，工控机等组成。系统原理框图如图1所示。系统主要任务是利用PLC和变频器控制水泵的循环投切运行，实现管网水压的恒定，由变频器控制水泵的启停和转速，主水管网水压通过压力传感器之后，可以转变为电信号，这时在PLC中输入模拟量信号，PLC按照压力设定值、实际压力值展开PID计算，通过模拟量输出模块将控制信号传输给变频器，随后完成水泵电机供电电压、频率的调节。

3 系统原理说明

系统中四台水泵是并列运行方式，变频运行水泵从地面水池抽水供给居民，主水管网水压经压力传感器变换为4-20mA电流信号，经模拟量信号输入PLC，PLC将压力给定值与实际检测压力值做PID运算，输出控制信号给变频器；或者将压力信号经PLC送到变频器的模拟信号输入端口，利用变频A/D转换模块以及PID控制对比设定值和采集偏差信号值[3]；变频器显示的电机频率信号，以0-10V电压信号模拟量输入PLC，PLC经过同向比较判断，向变频器发出频率升降信号，当变频器接收到PLC所发出的指令之后，便会改变输出电流频率，从而调整水泵电机转速，最终改变水泵的出水量实现恒压供水。

在用水量少的低谷时期，基于变频控制作用，1#水泵的运行更加稳定，如果用水量加大至水泵全速运行，无法对管网压力稳定提供保证，PLC检测过程中获得压力下限信号、变频器高速频率信号，PLC将变频运行状态下的1#水泵转换至工频运行，使压力始终保持恒定，并开启2#水泵变频器，通过提高管网供水量的方式使压力维持恒定。如果依然不符合压力规定，处于变频运行状态下的2#泵将转换到工频运行，这时开启3#水泵变频。如仍不满足压力要求，则将变频运行的3#泵切换到工频运行，同时将4#水泵变频器启动投入运行。如果用水量减少，那么PLC检测过程中发现变频器在最低速信号时有效，这时若出现压力上限信号，那么PLC会先停止1#泵，达到减少供水量的目的。若以上2个信号依然存在，这时将2#水泵停止运行，直至最后一台泵使用变频器恒压供水。

4 硬件系统设计

4.1 主电路设计

设计硬件系统的过程中，如图2所示，主电路是由电源、变频器、水泵以及相关保护器件连接而成[4]。电源是380V的三相交流电，通过断路器连接变频器，变频器连接水泵，控制电机的转速。通过变频器以轮流的方式开启四台水泵电动机，其中均带有变频/工频的运行状态，四台水泵是循环投切的工作方式。循环投切过程由PLC控制，每台电机都通过两个交流接触器与工频电源和变频器输出连接。

4.2 控制电路设计

控制电路的设计中，主要有PLC控制回路（如图3所示）和水泵控制回路（如图4所示）。控制电机接触器所做出的动作均是以PLC逻辑程序为依据[5]。为了达到保护设备的目的，PLC输出端口不能直接连接交流接触器，在PLC输出端口、交流接触器之间接入中间继电器，利用中间继电器对电机动作进行控制，如此一来便可以隔离系统中强电和弱电，使系统使用期限得以延长。

5 系统的关键部分软件设计

在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，如图5-1和5-2所示，判断压力传感器传送的压力信号是否满足水泵运行条件：当管道内实际值小于压力下限值时，增加水泵的数量投入工作；当管道内实际压力大于压力上限值时，适当的减少水泵的工作数量。当管道内实际值介于上限值和下限值之间时，如图5-3所示，PLC按照压力给定值对实际值、给定值进行判断[6]，向变频器发送变频信号：如果给定值大于实际值，那么变频器的输出电流频率将会增大，水泵流量也会随之加大；如果给定值小于实际值，则相反；实际值与给定值相等，变频器输出电流频率和水泵流量保持不变。PID闭环负反馈压力控制参数调节流程图如5-4所示；水泵电机工频/变频切换和调速程序流程如图5-5所示；常开触点控制水泵电机启动流程图如5-6所示。

PLC接收压力传感器发出的压力信号的同时，也会收到地面水池液位传感器发出的液位信号，按照设定值对主触头动作进行控制[7]。如果液面相比下限值较小、地面水池液位超过上限值，这时会停止PLC控制水泵运行；如果液面相比下限值较大、地面水池液位低于上限值时，这时PLC控制水泵工频持续运行。

PLC如果检测过程中发现故障，将会自动将故障源切断，将其切换至可运行备用设备，开启故障指示灯并发出报警信号；若檢测过程中并没有发现系统故障，则会返回至运行程序，使各个部分依然维持正常运行。

PID控制系统由PID控制器和被控对象构成，如图6所示，是一种闭环负反馈控制，所发挥的负反馈作用有利于提高系统的稳定性。PID控制器属于线性控制器，可以按照给定值r（t）、实际输出值y（r）所组成控制偏差。

使偏差r（t）比例（Proportion）、积分（Integral）、微分（Differential），在线性组合的作用下形成控制器，从而达到控制被控对象的目的。PLC中的PID控制模块带有对比、差分计算这两种功能，供水压力比设定压力低，通过变频器提高运行频率；反之则降低运行频率。应用压力变化速度做好差分调节工作，若压力上升至设定值期间的速度比较快，那么PID运算过程中将会减少执行量，保证压力的稳定性。供水压力经过PID调节之后所显示的输出量，利于交流接触器组可以输出至水泵电机内。由PLC控制各接触器负责水泵的切换工作，决定工频还是变频，按需要选择水泵的运行情况，从而使管网水压保持恒定。

6 结语

本设计针对我国大部分城市和地区居民生活用水的特点，通过PLC+变频器对变频调速循环投切恒压供水系统设计方案进行控制。可以满足城市自来水用量随季节的变化而变化， 随每日时段不同而变化的要求。用一台变频器拖四台水泵电机并联运行循环投切变频调速恒压供水。PLC与变频器联合控制水泵电机的启停，以及工频变频运转。利用变频器能快速精准且平滑地调节泵电机转速， 从而改变水压的大小，达到恒压供水的目的。本系统使用灵活可靠，真正做到智能，节能，卫生安全而又经济合理的供水方式。

参考文献

[1]戴世荣.PLC变频器在恒压供水系统中的应用[J].考试周刊，2012，（23）：112-113.

[2]韩鹂.基于组态、变频器与PLC的恒压供水系统的设计[J].科技展望，2015，25（36）：115.

[3]杨柏松，熊建斌，李长庚.基于变频器内置PID模块的恒压供水系统[J].电子设计工程，2015，23（20）：161-165.

[4]孙天航.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统[J].中外企业家，2015，（15）：178.

[5]郭艳萍，张海红，冯凯著.电气控制与PLC应用[M]人名邮电出版社，2017：05-01.

[6]郭继祖.基于PLC恒压供水系统设计[J].数字技术与应用，2014，（05）：9-11.

[7]马卫忠.变频器&PLC;在供水控制系统中的应用[J].电气技术，2012，（03）：91-93.