PLC与变频器在净水恒压供水改造中的应用

黄家伟

（广西北海市供水有限责任公司，广西北海536000）

PLC与变频器在净水恒压供水改造中的应用

黄家伟

（广西北海市供水有限责任公司，广西北海536000）

PLC技术在工业自动化发展以及解决实际社会需求方面都有着重要的应用价值，同时也在恒压供水系统中得到了应用，文章主要根据净水恒压供水系统中存在的不足，就PLC与变频器在净水恒压供水改造中的应用进行分析。

净水恒压供水改造；PLC；变频器；应用分析

水是生命之源，在人类的生活以及生产活动中都发挥着重要作用，水之源是供水企业的根本及条件，准确掌握水源情况才能准备计划好城市用水供给，定位城市的生存与发展。因此，公司水源井群明确井群水位对于保证正常的生活和生产具有重要的现实意义，然而现阶段公司对于水位的监测存在一定的弊端，造成水源回水反映计算数据出现失真。水源井水位过高或过低都会存在一定的危害：①水位太低，潜泵抽空，空载运行缩短潜泵寿命，长期地下补水不足，危害泵井。②水位过高，潜泵安装高程不调整，增加电耗，造成成本增加。随着PLC以及变频器在多个行业中的应用，PLC以及变频器为净水恒压供水改造提供了重要依据，文章结合相关文献资料，就PLC与变频器在净水恒压供水改造中的应用分析如下：

1 PLC概述

（1）PLC基本组成。PLC是可编程逻辑控制器的英文缩写，PLC的基本组成主要有电源、中央处理单元、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块等六大组成部分，而每一部分对于PLC均发挥着重要作用，其中电源是保障整个系统正常工作的基础，考虑到整个系统工作的稳定性，除了常规的系统电源外，还存在备用电源以及掉电保护等；中央处理单元在PLC系统中作为关键的控制中枢，具有核心地位作用，在逻辑运算以及整个系统运行中相关硬件运行监测方面都可发挥作用，比如：对电源运行的监测，对存储器、I/O所处状态的监测等，根据实际要求，可采用多个中央处理单元，这样有助于提高系统的稳定性以及运算能力；系统软件以及相关应用软件的储存主要保存在存储器中；根据PLC在不同领域的应用，通过输入输出电路完成相关数据信息的传输以及保存；根据PLC在应用中的具体功能要求，设置相应的功能模块，比如：计数模块、定位模块等；PLC与相关系统之间的信息共享则需要借助于通信模块。通过上述不同部分的协调配合，保证了PLC系统的正常运行。

（2）PLC功能分析。PLC属于面向用户的专用工业控制计算机，在实际应用中具有抗干扰能力强、可靠性高、通用性强、功能强大、编程简单、体积小以及维护方便等特点，在具体应用过程中，PLC具有以下功能：①开关量控制，在工业机械化发展过程中，PLC可以结合按钮、限位开关、检测信号等循环反馈实现对相关操作的自动化控制，提高了相关操作的自动化水平；②数据处理功能，PLC在运用过程中可以根据四则运算指令，在采集数据后完成数据的分析、处理，并依靠相关数据为实际生产活动提供参考；③计数、计时功能，PLC能够采集数据以及数据处理，因而根据实际需要，设置好相关的数据以及时间间隔完成生产活动中的计数、计时控制功能。

2 净水恒压供水现状以及改造要求

公司三个供水厂水源井现阶段在供水过程中主要采用人工检测方法实施对水位监测，考虑到实际操作要求，实际的水位监测在每个季度仅有一次，一年四次对水位的监测，虽然增加人为劳动强度，但伴随天气季节性变化，地下水源回水补给变化很大，无法准确达到实时监测水位目的，因而在水位过低的情况下，会直接影响到水泵的正常供水量和水质，长期低水位还会影响管井寿命，对于实际的供水生产和生活质量都会产生影响。伴随着科学技术的发展，在深井中加装水位计，通过水位计实现数据同步，并依靠PLC将水位参数发送到水厂中控室，根据中控室中控系统累计数据实现对水位的监测，但是当中控电脑出现故障的情况下，会终止数据的累计计算，影响到实际监测结果。基于此，文章结合现场PLC工程，通过修改PLC程序实现水泵运行时间自动累计功能，累计数据保存在PLC中，然后实时上传到中控系统，消除中控电脑出现故障后相关数据没有累计的问题，确保能够为实际的水位监测提供参考，便于及时掌握水位变化，做到合理水源开采，保证正常的供水安全需要。

3 改造所需系统构件

根据改造需要，改造需要采用的系统构件主要有：①可编程控制器PLC，具体可采用的是日本MITSUBISHI公司的FX2N-40MR作为PLC控制单元，依靠该控制单元实现对水泵的自动化控制、阀门的自动控制以及水泵的自动切换等。通过PLC全面提高净水恒压供水系统的自动化程度；②变频器VVVF，可采用的变频器为日本MITSUBISHI公司的FR-V540-30K变频器，依靠该变频器实现对潜水泵电机工作频率的控制。考虑到经济性，可将井群多个电机同时采用一台变频器进行控制。使用的变频器具有内置PID功能，能够在变频器内部完成PID的计算，在提高工作效率的同时有助于降低成本投入；③压力传感器YB，可采用的压力传感器为YTZ-150型压力传感器，该压力传感器可以将井水压力转化为电信号，由变频器根据获得的信号进行调节；④水泵电机，可采用公司现使用的深井潜泵，潜水泵的功率为15～50 kW，电机补偿的功率因数为0.75，在上述基础要求还要求不同的潜水泵具有自动切换、手动切换以及定时自启停功能。

4 系统硬件设计分析

在改造过程中，系统可以通过PLC开关实现手动控制以及自动控制，在进行供水检修或者是变频器存在故障的情况下，可通过手动方式实现潜水泵在相关要求下的运行和停止；自动工作方式则需要根据供水情况进行有效地调节。变频器内部控制，本次采用的变频器存在内部PID控制功能，依靠对压力传感器以及水压设定值的比较能够反映出实际的水压情况，当压力传感器和水压设定值之间存在偏差后，变频器内部的PID功能可以进行调节，并发送相关指令信号，实现对变频器输出电压以及频率的调整，实现对潜水泵的无极调速，也就是根据井群源水量的变化实现对电机转速、水泵等自动化调节，确保管道内存在恒定的压力作用，实现正常的供水安全需求。

图1所示为系统硬件电路组成示意图，该硬件电路能够根据水位控制系统要求实现控制，其中主要的硬件有压力传感器、潜水泵、出水阀、调节阀以及上位计算机等相关模块，不同模块有着不同的功能，其中的压力传感器主要是作为水位信号检测原件，井水中水位高度和压力之间具有线性关系，通过测量的压力信号获得井内水位信号，实现了水位测量向压力测量的转变，依靠信号直接完成水位的测量，通过传感器将直流信号转换为电压信号，并在仪表以及计算机上显示出来。控制设备能够实现外部与输出信号之间的有效连接，具体的就是PLC控制系统，输出方式采用继电器输出，能够对直流负载以及交流负载进行驱动。通过模拟信号实现水位控制，通过PLC完成不同开关量信号的控制，具体的为潜水泵动作信号、出水阀动作信号、调节阀动作信号等。

图1 系统硬件电路组成示意图

图2所示为压力传感器的接线图，其中采用的电源为直流24V电源。

图2 压力传感器接线图

根据具体的改造要求，在供水过程中，PLC控制系统需要对水位变化情况以及供水需求变化情况进行监控，在记录参数的同时做出反应；当然整个操作过程较为复杂，作为PLC控制程序，需要对供水过程中的各类信息进行收集，判断供水、用水情况，根据供用水情况及时做出反应，对整个系统电路中的接触器、控制继电器以及信号灯做出反应，实现对潜水泵运行的调节，并以报警或者是其它信号形式进行预警。

其中在潜水泵监测部分存在液位传感器，随着供水量不断增加，当水位不断下降并达到预警值后，监测终端会向控制终端发送对应的信号，控制终端能够根据信号以及处理结果做出反应，采用其它方式进行供水互补。当水位上升并到达水位设置的上限值后，此时通过传感器的感应发出信号，并停止补水，实现了供水的自动化处理。保证了供水厂供水能够及时满足社会生产以及生活用水需求，完善后的部分，还能够依靠PLC功能模块完成对供水厂供水的数量计算，实现对总体用水量数据的累计，这些数据一方面能够作为供水厂输出水量的参照，用于反映水位变化情况，另一方面则能够对某月、某季度以及某年的用水量进行统计，实际应用价值较高。

根据实际优化要求，其中增加了多种功能模块，比如：自动工频运行模块、欠水位模块、压力上限以及下限处理模块等，其中主泵状态转换模块能够将主泵的变频转化为工频，变频器在达到上限频率后，同时水压达到压力下限的情况下，PLC会做出相关控制信号，通过失电、短接、变频器自由制动、输出中断等一系列操作，实现潜水泵的工频恒速运行。

在运行过程中难以避免的会出现各类故障，在这种情况下还需要有相应的故障模块，针对常见的故障，设置的故障模块主要有：①欠水位故障，当潜水泵在运行过程中，水位下降达到欠水位情况下，通过欠水位模块停止潜水泵运行，避免了潜水泵出现空转运行，当及时得到补水，水位恢复后，欠水位模块会发送信号，实现水泵的正常运转；②压力上限以及下限位置的自动报警，随着水位的减少或者增加，对应的压力上限以及下限模块会做出反应，并输出报警信号，对于没有做出反应的报警信号，信号会传送到水压报警处理模块，所有工作的潜水泵会停止运行，在得到处理后，对应的报警信号会消除；③变频器故障，变频器在出现故障后，PLC输入继电器会做出反应，整个系统将属于自动工频运行模块，在变频器停止运行后，主泵电机会处于工频状态，实现了变频运行向工频运行的处理，处理过程中可存在一定的延时，这样有助于更准确地做出判断，避免频繁出现的系统切换，给供水管网造成危害。

5 系统软件设计

在系统软件设计过程中，将外部电路对应的元件进行编号处理，整个系统软件主要包括主程序、子程序以及中断程序三部分，其中主程序需要放置逻辑运算报警处理，子程序中主要是系统初始化所需要的相关内容，定时器中的中断功能可以对供水过程中的水样以及输出进行控制，根据不同供水要求，设置好对应的参数值。软件程序中包含了较多内容，在程序写入、调试以及计算机监视过程中使用电缆将PLC通信接口和计算机串行通信口进行连接，其中采用的通信协议为PPI通讯协议，对于PLC相关寄存器地址的访问需要使用串行口，定义I/O变量，通过变量名实现多种系统功能，比如：系统控制、报警显示、操作显示等。依靠软件功能实现对水位的控制，在计算机显示器可以模拟井内水位变化情况，对于出现的故障能够及时进行报警，对历史数据进行查询等，依靠MODBUS通讯协议，实现对系统中相关数据的添加与修改，保证了系统中能够随时动态性的记录井群内水位变化，保证了计算机系统出现故障后，井群内水位变化参数仍然可以有效的记录，便于更好的记录参数。根据实际需要，还可以设置HMI人机界面，依据不同功能需求，实现多种功能要求。在人机界面操作中，能够及时对参数进行设置和调整，比如：水压力参数、水压波动值等，进一步提高系统改造后的应用效果。

文章根据净水恒压供水系统在公司井群供水过程中存在的不足之处，通过PLC与变频器在净水恒压供水系统中的应用和改造，保证对井群供水变化的动态监测，为实际安全供水提供参考及应用。

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黄家伟（1959-），男，广西北海人，工程师，主要研究方向：供水在线运行及水质丶仪表联网实时检测（监控）。