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?！?/p>

　　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,?？刂葡到y(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?！　?/p>

　　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,?！?/p>

　　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),。