基于变频器十五段速的恒压供水控制系统设计

曹利刚

（杨凌职业技术学院，陕西杨凌，712100）

城市里楼房越建越高，保证每户的用水质量非常重要，无论是用水高峰期还是低谷期都要保证水压在额定的压力范围内[1][2]。通过变频器来调节水泵电动机的转速是普遍使用的恒压供水方法[3][4][5]。

变频器调速的工作原理是，对于任何一个电机，n*p=60f，即转速与磁极对数的乘积等于六十乘以交流电的频率[6]，在磁极对数不变的情况下，当频率发生变化时，电动机的转速就随之发生变化，水泵电机的转速越高，水管承受的压力就越大[7][8]，当压力达到上限时，对应压力传感器的触点断开，水泵电机自动停止；当压力下降到下限时，对应压力传感器的触点闭合，水泵电机启动运行[9]。

变频器通常有三种调速方法，即三段速、七段速和十五段速调速[10][11]。大多数楼房用的是三段速和双速电机一起调速，这种方法要用到普通电机和双速电机，两个电机经过组合后调节的速度只有八种，水压的变化幅度比较大，容易造成短时水击过大而使水管破裂，两个电机的运行和维护成本也相对比较高；七段速调速方法只用一个普通电机，设备少，维护成本低，同样也存在短时水击过大而损坏输水管道的现象[12][13]。

十五段速是变频器具有的最大调速范围，相对于前边两种调速方法，这种调速细腻，压力变化平顺，有利于延长压力水管的使用寿命，设备少，系统控制逻辑清晰，节约了运行和维护成本[14]。

一、项目总体方案设计

根据某小区的18层楼房用水需求，设计一套由PLC、变频器、水泵电机、压力传感器组成的控制系统。

系统设置手动调试和自动运行两种模式。手动调试时按下启动按钮，水泵电机在2HZ的转速下运行，每隔5 秒，按顺序切换到下一个频率运行，调节过程中随时按下停止按钮，水泵停止运行。自动运行时，当水管的压力降到下限时，水泵电机以2HZ 的频率启动，运行5 秒后，自动切换到4HZ 运行，再5 秒后，自动切换到6HZ，然后按照图1所示的15 段速频率切换顺序运行。当变频器在某一频率下运行时，管道的压力达到了上限值，变频器就自动停止调速；当短时用水量过大时，水泵最多能切换到第15 个运行频率（50HZ），直到压力达到上限时，水泵停止运行。

图1 变频器15段速频率

二、项目实施

（一）FR-E740变频器的设置

变频器参数Pr.4、Pr.5、Pr.6 分别设定第1 段速、第2 段速和第3 段速，Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分别设定第4 段速、第5 段速、第6 段速、第7 段速，Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239分别设定第8段速、第9段速、第10段速、第11段速、第12段速、第13段速、第14段速、第15段速。

Pr.7 设定加速时间、Pr.8 设定减速时间。Pr79设置运行模式，1 是调节参数模式，2 是外部控制运行模式。

（二）PLC的I/O分配

启动按钮SB1 对应X0，停止按钮SB2 对应X1，Y0 对应变频器高速端子RH，Y1 对应变频器中速端子RM，Y2 对应变频器低速端子RL，Y3 对应多功能端子REX，Y4 对应正转端子STF，输入和输出的I/O 分配如表1所示。把参数Pr.179 的值设定为8，就把STR（反转端子）的功能定义为15 段速选择信号，此时反转端子就变为多功能端子REX。

表1 I/O分配表

（三）PLC和变频器外部接线

根据I/O 分配表输入和输出变量的个数，PLC模块选择三菱的FX3u-16MT/ES-A,变频器选择三菱FR-E740,三相异步交流电动机选择WDJ26。PLC 输入端接交流220V 电源，PLC 输入端采用共阳极接法，24V 和S/S 短接，0V 作为输入端子的公共端，端子X0 接启动按钮SB1，X1 接停止按钮SB2。PLC 输出端COM1 接变频器的公共端SD，Y0接变频器高速输出端子RH，Y1 接变频器中速输出端子RM，Y2 接变频器低速输出端子RL，Y3 接变频器多功能输出端子REX（即反转端子STR），Y4接变频器正转输出端子STF，COM1 和COM2 短接，变频器输入侧接380V交流电源，输出接三相交流异步电动机。PLC、变频器和电动机的外部接线如图2所示。

图2 PLC、变频器和电动机的外部接线图

（四）PLC程序设计

系统的手动和自动功能切换程序如图3所示，X2 是手动和自动切换开关，系统上电后先进入手动运行状态。启动和停止通过中间继电器M0 来实现，15段速运行需要15个时间继电器来完成，每一段速运行的时间都是5 秒，第1 段速由M0 启动运行，第2 段速由T0 启动运行，第3 段速由T1 启动运行，以此类推，第15 段速由T13 启动运行。T14常闭触点起到复位15 个时间继电器并重新启动系统运行的作用。时间继电器输出部分程序如图4所示。

图3 手动和自动切换程序

图4 时间继电器控制的部分程序

变频器的正向运行（Y4）由M0启动，T14 停止；多功能端子（REX）输出（Y3）由T7 启动，T14 停止；低速端子（Y2）输出由2 条功能相同的并联回路分别实现启动和停止，中速端子（Y1）输出由4条功能相同的并联回路实现启动和停止；高速端子（Y0）由8条功能相同的回路实现启动和停止。输出端子部分程序如图5所示。

图5 输出端子部分程序

当按下启动按钮SB1后，PLC的Y4置为ON，允许电机启动；当按下停止按钮，PLC 的Y4 为OFF 状态，电动机停止运转；PLC 输出接口状态和变频器输出15段速控制状态变化如表2所示。

表2 电动机15段速输出状态与频率

（五）调试运行

首先，设置参数。

1.按照设计的PLC 和变频器外部接线图连接电路，先向PLC 里下载一个空程序，分别按下启动和停止按钮，检查接线是否正确，然后接通PLC 和变频器电源。

2.把Pr.CL（参数清除）或ALLC（参数全部清除）的参数设置成“1”，恢复变频器出厂参数。

3.设置加速时间和减速时间。首先设置面板调节参数模式Pr.79为1，然后设置加速时间Pr.7 为0.5秒，减速时间Pr.8为0.5秒。

4.设置变频器15 段速相关参数。Pr.4、Pr.5、Pr.6 分别设置为2、4、6；Pr.24、Pr.25、Pr.26、Pr.27 分别设为8、11、14、17；Pr.232、Pr.233、Pr.234、Pr.235、Pr.236、Pr.237、Pr.238、Pr.239 分别设定为：20、24、28、32、36、40、45、50。

5.设置外部端子控制模式Pr.79为2。

其次，调试设备。

1.手动运行模式

在手动运行模式下，按下启动按钮SB1，查看水泵电机能否按照设定顺序每隔5秒切换到下一个运行频率，按下停止按钮SB2，查看电机能否停止运行。

2.自动运行模式

在自动运行模式下，打开PLC 的模拟软件，强制气压到下限时对应压力传感器的触点闭合，查看水泵电机能否按照预定要求启动并切换运行频率，强制气压到上限时对应压力传感器的触点断开，查看水泵电机能否停止运行。

最后，编写运行说明书。

详细编写系统的设备清单，运行操作说明书，易发生的设备故障现象和解决办法，操作安全注意事项。

总结

本次设计说明了变频器的调速原理，总结变频器的三段速、七段速和十五段速控制水泵电机的优点和缺点，提出了基于变频器十五段速的恒压供水控制方式。通过对变频器十五段速端子的设置、PLC 的I/O 分配、PLC 和变频器的外部接线设计、PLC 程序的编写、设备的运行调试，实现了对原来控制方式的优化和改造。经过现场反复运行调试，这套由变频器十五段速控制的恒压供水系统操作简单安全、运行可靠稳定，达到了预期的设计目的和要求，具有较强的推广使用价值[15]。