变频器—PLC在自动灌溉系统中的应用

徐德善

摘 要：本文介绍了以变频器-PLC为核心构成系统的控制原理、结构组成、软件设计及系统优点。变频器与PLC配合调控技术在水量控制系统成功应用，有效地解决了控制负荷波动大，调节频繁和能量损耗大等难题，为现代农业灌溉提供科学理论支持，也说明了变频调速控制系统优越的技术性能和极其显著的经济效益，具有很好的推广应用价值和进一步的研究价值。

关键词：变频器；PLC；比较器；控制系统

1 引言

随着我国水资源供需矛盾的日益尖锐和水资源环境的日趋恶化，农业灌溉用水是我国用水的第一大户，其用水量占全国工农业总用水量的80%以上，且整体利用效率不高。因此，在农业生产中推广应用节水灌溉技术的节水潜力很大。然而科学合理的灌溉又是节约资源和更好的施灌的保证。

目前，在自动灌溉控制系统中有很大一部分水泵电机是不变速拖动系统，不变速电机的电能大多消耗在适应供水量的变化而频繁的开停水泵中。这样不但使电机工作在低效区、减短电机的使用寿命，而且电机的频繁开、停使设备故障率很高，导致水资源严重浪费，系统的维护、维修工作量较大。

传统的控制方法已经落后。原先用人工进行供水灌溉和水位控制，由于无法每时每刻对水位进行准确的定位监测，很难准确控制水泵的起停；使用浮标或机械等水位控制装置使供水状况有了一些改变，但由于机械装置的故障多，可靠性差，给维修带来很大的麻烦。

2 系统概述

在压力控制方面的优越性能可以解决水量控制系统存在的以上问题。考虑选用单片机或PLC与变频器结合为核心构成的系统都能达到较好的控制效果。但在软件设计上，PLC比单片机的编程更简洁、直观；从硬件接口考虑，单片机电路稍微复杂一些；从经济方面考虑，由于PLC工艺的日渐成熟，小型PLC的成本与单片机相差无几，由于要根据现场情况调整系统参数，PLC的软件中时间参数的调整更简单，这样更有利于售后服务人员掌握。基于以上原因，选用了西门子系列PLC与三菱的变频器作为控制核心，再加上比较器与压力变送器，控制效果非常好，软件设计简单，硬件接口简易可行、可靠性高，整个系统的性价比较高。

在供水系统中引进变频器结合小型PLC技术，不仅改变传统用阀门控制水量多少，而且在节能、压力、流量控制等方面均有非常好的效果，本文介绍了變频器--PLC调控技术在水泵控制中的应用。

3 系统原理

控制系统用一台变频器可以带三台水泵电动机，每台水泵既可以工作在常规工频模式，也可以工作在变频模式。每台泵只能处于变频或工频其中一种工作模式，也可以通过两个继电器互锁保证它的安全与可靠，本系统运用用传送指令。主电路如下所示：

系统的结构如图二所示，利用安置在的灌溉用水中的压力变送器将水的压力信号传输到比较器，根据与比较器的设定值和报警上下限比较，送信号给PLC与变频器，系统的起停泵分别由比较器的压力下限信号和变频器的频率下限信号决定，假如压力低，比较器给PLC一个压力下限信号，PLC启动变频器，并使一号泵处于变频工作状态， 输出的频率逐渐增大，经过一段时间的调节，如压力还低，这时，PLC让一号泵处于工频状态工作，使二号泵处于变频工作状态泵，如压力还低，则让二号泵处于工频状态工作，使三号泵处于变频工作状态，如此类推。

当压力达到调节器上限报警值时，调节器输出降低，变频器频率降低，低到频率下限设定值，这时变频器给出一个频率下限信号给PLC，PLC根据先启先停的原则控制泵的运行顺序，例如，PLC收到频率下限信号时， 系统中泵的状态是一号工频，二号工频，三号变频，这时一号泵最先启动，所以先停，接着如压力还高，则停二号泵。系统采用了每次都进行低速启动，高速运行以提高运行效率。

若要保证更为精确的精度和更高的利用率则可以带测速发电机控制的双闭环控制系统在这里软件程序不予以介绍，其结构图如下图所示：

4 系统的软件设计

本控制系统的软件以SIEMES公司的S7-200软件进行梯形图设计，通过专用电缆把程序下装到PLC中。

SIEMES S7-200软件的梯形图是逐行扫描，频率大约100ms一次，PLC软件设计思路是列出所有泵可能的运行状态，每种状态处理两种情况，有压力下限信号时增加泵，当无压力下限而有频率下限信号时减少泵，按照先启先停的原则，可列出水泵运行的所有组合状态。状态表略。

其中状态6、状态7、状态9，由于次序启动、先启先停的原则是不可能出现，可以不考虑。状态1只有增加泵处理程序，状态11，状态12，状态13，只有减少泵处理程序。梯形图输入、输出点的含义可对照硬件接口图略。

另外测速发电机测得的结果给比较器，通过比较器将信号传送给PLC和变频器，它们之间用DA转换器和AD转换器连接。这样便控制了电动机的启停和转速。所以结构框图中设计了双重反馈电路即由测速发电机组成的速度反馈和由压力传感器组成的压力反馈系统。

本文由于篇幅原因，只给出部分梯形图，后面程序以此类推。以下是灌溉系统的手动部分，自动部分程序只需在加计数器CU、CD处考虑到压力传感器的上下限位即可。

以下为PLC控制电动机启停的处理程序，软件上加入定时器延时也是可行的，其中Q0.0、Q0.1分别表示故障报警和缺过水报警灯。最后的故障处理就是当有缺水或过水信号或变频器故障信号时把所有的泵与变频器都停止。

5 系统的优点

采用变频器-PLC自动灌溉装置有以下几个优点：

A：节电效益高。传统水泵电机均采用大容量电机，用阀门控制水量恒定，造成电能浪费。变频系统，无论工作参数如何，电机的效率不会降低，电机的功率因数会得到提高。

B：运行可靠、稳定。系统中的核心部件—变频调速器本身的可靠性很高，一般情况下可连续使用10万/h以上。系统还采用软启动方式，不存在电气冲击，不污染电网，而且变频器自带欠压、过压、过流、过载、过热以及失速等各种保护功能。系统对管网压力波动采取阻尼滤波处理，供水恒压精度较高。

C：结构简单，操作简便。装置的控制系统采用集成度高，配套方案灵活多样，由可编程控制器得到水泵运行的各种组合。调速范围广，对水量变化的适应能力强。

D：使用寿命长，自动化程度高，维护量少。以上系统在实际的应用中效果显著，如将PLC与变频器中自带编程器的功能集成，可开发成一些专用的变频器，这样系统的可靠性与健壮性大大增强，应用更加简单，系统的总成本也会下降。

参考文献

[1]宫淑贞 王冬青《可编程控制器原理及应用》，人民邮电出版社 2002

[2]丁斗章 《变频调速技术与系统应用 》，机械工业出版社 2005