摘要：
本文介紹基于變頻器與PLC的恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，PLC控制投入工作水泵的臺(tái)數(shù)，在用水量的高峰及低谷都能滿足系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，提高了供水質(zhì)量。
1. 引言
隨著變頻調(diào)速技術(shù)和可編程控制器的飛速發(fā)展，以及其應(yīng)用面廣、功能強(qiáng)大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用，在其它領(lǐng)域（如民用和家庭自動(dòng)化）的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。
由于變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖一；它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動(dòng)力及控制線路以及泵組組成。用戶通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號(hào)變成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得到4～20mA參數(shù)，4～20mA信號(hào)送至變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個(gè)上限頻率和下限頻率檢測(cè)，當(dāng)用水量大時(shí)，變頻器迅速上升到上限頻率，此時(shí)，變頻器輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC；當(dāng)用水處于低峰時(shí)，變頻器輸出達(dá)到下限頻率，變頻器也輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC；兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生。當(dāng)產(chǎn)生任何一個(gè)信號(hào)時(shí)，信號(hào)即反饋給PLC，PLC通過(guò)設(shè)定的內(nèi)部程序驅(qū)動(dòng)I/O端口開(kāi)關(guān)量的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停、變頻與工頻的切換。通過(guò)調(diào)整投入工作的電機(jī)臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。
3、工作原理
該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)方式時(shí)，按下按鈕啟動(dòng)和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#~3#泵的啟停，該方式主要供設(shè)備調(diào)試、自動(dòng)有故障和檢修時(shí)使用。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先由1#水泵變頻運(yùn)行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器把接收的信號(hào)與給定壓力比較運(yùn)算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，變頻器輸出一個(gè)上限頻率到達(dá)信號(hào)給PLC，PLC接收到信號(hào)后經(jīng)延時(shí)，1＃泵變頻迅速切換為工頻，2＃泵變頻啟動(dòng)，若壓力仍達(dá)不到設(shè)定壓力，則2＃泵由變頻切換成工頻，3＃泵變頻啟動(dòng)；如用水量減少，PLC控制從先起的泵開(kāi)始切除，同時(shí)根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，始終保持管網(wǎng)壓力。
若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)，待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵的啟動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過(guò)程。
4、變頻器
變頻器采用艾默生電氣公司生產(chǎn)的EV2000系列變頻器。EV2000采用獨(dú)特的控制方式，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速驅(qū)動(dòng)，滿足通用變頻器高性能化的要求，具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘功能和適應(yīng)惡劣電網(wǎng)溫度、濕度和粉塵能力，極大提高產(chǎn)品可靠性。
EV2000具有實(shí)用的PI(圖二)、簡(jiǎn)易PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、停電和停機(jī)參數(shù)存儲(chǔ)選擇。頻率給定通道與運(yùn)行命令通道捆綁，零頻回差控制等，為設(shè)備提供集成度一體化解決方案，對(duì)降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價(jià)值。PI參數(shù)的設(shè)定將直接反饋?zhàn)冾l器控制中的響應(yīng)速度和精度，零頻運(yùn)行閾值和零頻回差的設(shè)定可以避免變頻器在低頻率輸出水泵低速運(yùn)行（水泵在變頻器輸出15HZ以下時(shí)的效率很低），使變頻器低于某一頻率時(shí)自動(dòng)停止輸出，即不影響恒壓供水的要求，又把效率提至最高。
5、PLC控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用三菱FX-1s30MR，I/O點(diǎn)數(shù)為30點(diǎn)，繼電器輸出，PLC編程采用FX—20P—E手持式編程器或三菱PLC專用編程軟件SWOPC— FX/WIN—C，PLC可編程程序控制器及軟件提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程、在線連接和調(diào)試。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開(kāi)關(guān)量輸入輸出來(lái)控制電機(jī)的起停、自動(dòng)投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報(bào)警等，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速、設(shè)定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號(hào)量及實(shí)際運(yùn)行參數(shù)則由變頻器及其內(nèi)置PID來(lái)顯示和控制。
三菱PLC的編程指令簡(jiǎn)單易懂且程序設(shè)計(jì)靈活，本系統(tǒng)PLC主體程序用STL指令與狀態(tài)繼電器S，STL指令可以編制生產(chǎn)流程和工作與順序圖非常接近的程序，順序功能圖中的每一步與其他步是完全隔離開(kāi)的，根據(jù)控制要求將這些程序段按一定的順序組合在一起，就可以成功地完成控制任務(wù)。FX系列PLC的狀態(tài)繼電器編制順序控制程序時(shí)一般與STL指令一起使用。
泵組切換示意圖如圖三，工作條件滿足，開(kāi)始工作時(shí)，1#泵變頻啟動(dòng)，泵的轉(zhuǎn)速隨變頻器輸出頻率的上升而逐漸升高，如變頻器的頻率達(dá)到50HZ而此時(shí)水壓還未達(dá)到設(shè)定值，變頻器檢測(cè)到上限頻率并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)給PLC，延時(shí)一段時(shí)間后，1＃泵迅速切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)解除變頻器運(yùn)行信號(hào)，使變頻器頻率降為 0HZ，然后2＃泵變頻啟動(dòng)，若壓力仍未達(dá)到，則2＃泵切換至工頻，3＃泵變頻啟動(dòng)，在運(yùn)行中始終保持一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)變頻輸出將為 0HZ，同時(shí)變頻器輸出一個(gè)下限頻率信號(hào)至PLC，由PLC決定切除1＃工頻泵，此時(shí)由一臺(tái)工頻泵和一臺(tái)變頻泵運(yùn)行，如果此時(shí)壓力達(dá)到設(shè)定值，變頻器的輸出為0HZ，同時(shí)輸出下限信號(hào)給PLC，PLC解除2＃工頻泵，只由3＃泵變頻運(yùn)行來(lái)維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)壓力下降，變頻器頻率升至50HZ輸出信號(hào)，延時(shí)后 3＃泵切換為工頻，1＃泵變頻啟動(dòng)，若壓力仍不滿足則1＃變切換為1＃工，2＃泵變頻運(yùn)行，如果壓力仍達(dá)不到，2＃變切換為2＃工，啟動(dòng)3＃變，三臺(tái)泵同時(shí)工作以保證供水要求。
這樣的切換過(guò)程有效地減少泵的頻繁起停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)水壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡，從而有效的避免了高樓用戶短時(shí)間停水的情況發(fā)生。
以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時(shí)，通常時(shí)采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運(yùn)行方式，同時(shí)由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實(shí)現(xiàn)泵組的無(wú)沖擊切換，使水壓過(guò)渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動(dòng)及水壓太低時(shí)的短時(shí)間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質(zhì)。
6、注意事項(xiàng)
要使系統(tǒng)穩(wěn)定快速準(zhǔn)確的運(yùn)行，應(yīng)注意一下參數(shù)：
1） 變頻、工頻切換時(shí)間T
切換時(shí)間T在PLC程序中設(shè)定，設(shè)置T時(shí)為了確保在加泵時(shí)，泵由變頻轉(zhuǎn)換為工頻過(guò)程中，同一臺(tái)泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對(duì)對(duì)應(yīng)的交流接觸器不會(huì)同時(shí)吸合，而損壞變頻器，同時(shí)為了避免工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流大而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，所以在允許的范圍內(nèi)時(shí)間T必須盡可能小。
2） 上、下限頻率持續(xù)時(shí)間TH和TL
變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)以變頻運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限（下限），并保持一定的時(shí)間來(lái)判斷是否加、減泵，這個(gè)判斷時(shí)間就是 TH（TL）,如果設(shè)定值過(guò)大，系統(tǒng)就不能迅速的對(duì)管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過(guò)小，管網(wǎng)用水量變化時(shí)就很可能引起頻繁的加減泵工作。
7、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)人職守的全自動(dòng)循環(huán)倒泵、變頻運(yùn)行，保證了各臺(tái)水泵運(yùn)行效率的最優(yōu)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)平穩(wěn)，消除了啟動(dòng)大電流沖擊，由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)是大型公共社區(qū)如高校、居民小區(qū)等處的性能、價(jià)格比較高的優(yōu)選方案。并通過(guò)在青島科技大學(xué)一期泵房近兩年的使用，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，得到了用戶一致好評(píng)。