PLC控制的变频恒压供水系统

【摘要】城市供水系统中，变频技术以其便捷的控制方式和优秀的节能效果广泛用于城市恒压供水系统中。根据城市的供水特点，设计了一套基于PLC控制的变频恒压供水系统，并利用组态软件开发良好的运行管理界面。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等组成，可以根据实际需求量来改变水泵的转速来改变供水量，能保证恒压供水系统的稳定性能。

【关键词】恒压供水;变频调速;PLC;PID控制

引言

本系统由三台水泵组构成生活/消防双恒压无塔供水，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，三台水泵根据恒压需要，采用“先开先停”的原则接入和退出。再用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3小时，则要切换到下一水泵，即系统具有“倒泵功能”。压力传感器检测到当前水压信号后，送入PLC与预先设定值比较后进行PID运算，通过控制变频器的输出电压和频率，控制水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定。整个系统通过工控机与PLC的连接，通过组态软件完成对系统监控，实现运行状态动态显示及数据、报警、查询等功能。

1.变频恒压供水系统构成

市网自来水通过高低水位控制器EQ控制进水阀YV1，自动把水注满储水水池，只要水位低于高水位，YV1打开，自动往水池注水。水池的高/低水位信号同时送给PLC，作为高/低水位报警信号。为保证供水的连续性，水位上下限传感器距离较短。生活用水和消防用水通过三台水泵供水，平时电磁阀YV2断电，此时消防用水关闭，三台水泵可以根据生活用水量的多少，按照设定的控制逻辑运行，维持生活用水的低恒压。当火灾发生时，电磁阀YV2得电，此时生活用水关闭，三台水泵供消防用水使用，维持消防用水的高恒压。火灾结束后，三台水泵恢复生活供水（如图1所示）。

图1 恒压供水系统构成

2.系统外围设备配置与继电器电器电路

系统的操作设有手动控制功能，手动功能在火灾、应急或检修时临时使用。系统主电路如图2所示，图中接触器KM1、KM2和KM5用于电动机的工频供电，接触器KM2、KM4课KM6用于电动机的变频供电。

图2 系统主电路

控制电路如图3所示，图中SA为选择手动及自动运行的转换开关，位于1位时为手动，位于2位时为自动。图中按钮SB1～SB6分别为手动启动1～3号水泵的按钮，按钮SB7和SB8为手动启停消防供水电磁阀YV2的按钮。系统设置了各种指示灯和报警音响器件，配置了变频器启动与复位的控制继电器KA。系统选用了火警检测开关SA1，其输出节点在火警出现时置“1”。

图3 系统控制电路

3.PLC的选用

系统共有开关量输入6个，开关量输出12个;模拟量输入1个，模拟量输出1个。因此选用三菱FX2N-32MR可编程控制器，加上一个模拟量输入模块FX2N-4AD，一台模拟量输出模块FX2N-2DA，构成PLC控制系统。

4.系统程序设计

根据控制要求：当水压下降时，升高变频器的输出频率，水泵加速，达到上限值时，需启动下一台水泵。这一功能在程序中用比较指令实现，应用时间滤波，消除偶然的频率波动影响。

PLC在恒压供水系统中的任务较多，因模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序。因此把系统程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，定时中断程序则用来实现PID控制的定时采样及输出控制。主程序主要完成的功能有：水泵切换信号的产生，水泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等。因白天、夜间模式的给定压力值不相同，两个恒压值是采用数字方式直接在程序中设定的。白天系统设定值为满量程的90%，夜间系统设定值为满量程的70%。

（1）系统初始化程序

系统初始化程序在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对变频器变频运行的上下限频率、PID控制的各参数进行初始化处理，赋予一定的初值，在初始化子程序的最后进行中断连接。系统进行初始化是在主程序中通过调用子程序来是实现的。在初始化后紧接着要设定白天/夜间两种供水模式下的水压给定值以及变频泵泵号和工频泵投入台数。

（2）增、减泵判断和相应操作程序

当PID调解结果大于等于变频运行上限频率（或小于等于变频运行下限频率）且水泵稳定运行时，定时器计时5min（以便消除水压波动的干扰）后执行工频泵台数加一（或减一）操作，并产生相应的泵变频启动脉冲信号。

（3）水泵的软启动程序

增减泵或倒泵时复位变频器为软启动做准备，同时变频泵号加一，并产生当前泵工频启动脉冲信号和下一台水泵变频启动脉冲信号，延时后启动运行。

当只有一台变频泵长时间运行时，对连续运行时间进行判断，超过3h则自动倒泵变频运行。

（4）各水泵变频运行控制逻辑程序

各水泵变频运行控制逻辑大体上是相同的。现以1#水泵为例：当第一次上电、故障消除或者产生1#泵变频启动脉冲信号并且系统无故障产生、未产生复位1#水泵变频运行信号、1#泵未工作在工频状态时， KM2常开触点闭合接通变频器，使1#水泵变频运行，同时KM2常闭触点打开防止KM1线圈得电，从而在变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM2的常开触点还可实现自锁功能。

（5）各水泵工频运行控制逻辑程序

水泵的工频运行不但取决于变频泵的泵号，还取决于工频泵的台数。由于各水泵工频运行控制逻辑大体上是相同的，现在只以1#水泵为例进行说明。产生当前泵工频运行启动脉冲后，若当前2#泵处于变频运行状态且工频泵数大于0，或者当前3#泵处于变频运行状态且工频泵数大于1，KM1线圈得电，使得KM1常开触点闭合，1#水泵工频运行，同时KM1常闭触点打开防止KM2线圈得电，从而实现变频和工频之间实现良好的电气互锁，KM1的常开触点还可实现自锁功能。

（6）报警及故障处理程序

本系统中包括水池水位越限报警指示灯、变频器故障报警指示灯白天模式运行指示灯以及报警电铃。当故障信号产生时，相应的指示灯会出现闪烁的现象，同时报警电铃响起。而试灯按钮按下时，各指示灯会一直点亮。

故障发生后重新设定变频泵号和工频泵运行台数，在故障结束后产生故障结束脉冲信号。

5.结束语

该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。

参考文献

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作者简介：孙小智（1975—），男，四川达县人，大学本科，四川达州职业技术学院机电工程系副教授，主要研究方向：自动控制。