《PLC在变频恒压供水装置中的应用》

作 者 ：广州科技贸易职业学院 莫慧芳

摘 要 ：本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。变频器、可编程控制器作为系统控制的核心部件，经变频器内部PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等特点。

英文摘 要 ：In this paper, the control principle of VVVF providing-water system is introduced, we use PLC to carry on logic control and use inverter to modulate pressure. Through PID control principle in inverter, we realize Closed-loop control in VVVF Providing-water System. The result indicates that the system has the stable pressure, simple structure, and reliable work.

关键词： PLC 变频器 供水系统

1 引言
交流变频调速技术在国内外得到了广泛的应用，它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定和节电效果明显等特点,是一项较为成熟的高科技成果。近年来，在国内各行各业也相继引进交流变频调速的各类产品，以满足生产现场的需求。在城市高楼发展的今天，以前的给水设备已经远远不能满足现代人民生活的需要，给水厂的自动化改造迫在眉睫。如何保证在供水量波动的时候水压恒定，采取禅租变频恒压控制是现代供水控制系统的主要方式。它利用PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统，使管网压力保持恒定，代替了传统的水塔供水控制方案，具有自动化程度高，高效节能的优点，在小区供水和工厂供水控制中得到广泛应用，并取得了明显的经济效益。

2 恒压供水系统组成
系统以3台15kW的水泵P1、P2、P3变频恒压运行为例，以变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制贺陪兆算法，和变频器组成恒压闭环控制系统，如图1所示。系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，由PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵电机投入台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水。

图1 恒压闭环控制系统

2.1 PLC硬件设计
PLC选用日本三菱公司的FxOS-20MR产品，水泵P1、P2、P3可变频运行，也可工频运行，需PLC的四个输出信号控制，变频器的运行与关断由PLC的一个输出信号控制，变频器极限频率的检测信号占用PLC一个输人点，设定水压的上、下限压力值，上、下限压力值分别设在给定压力值上下两侧与给定压力略有偏差处，当管网压力处于上、下限位置，传感器分别输出开关信号进入PLC两个输人点，与变频器的极限输出频率检测信号一起，通过PLC控制泵的变频与工频切换以及工频运行泵的切除。系统所需的输入/输出点数量共为16个点，可编程控制器Fxos-20MR能够满足系统的控制要求，FX系列PLC的工作电源可以用交流220V电源，也可用直流24V电源，它具有抗干扰能力强，可靠性高等特点，可长期在恶劣的工业环境下工作。该系统的I/O分布如附表所示。

2.2 变频器硬件设计
变频器选用日本安川变频器CIMR-P5A45P5产品。通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值（14端），压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器端子的7端、8端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。变频器端子的19端和20端是传感器压力设定的上、下限值，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。变频控制系统主回路如图2所示。变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。

图2 变频控制主回路原理图

图2中交流接触器组KM2 KM3分别控制泵1的变频运行和工频运行；KM4和 KM5分别控制泵2变乱孝频运行和工频运行；KM6和KM7分别控制泵3的变频运行和工频运行。
2.3 压力传感器
本供水系统输出压力一般小于或等于0.6Mpa，故系统选用YTZ一150型带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为0～1MPa，检测精度为±0.01MPa，该传感器将0～1MPa范围的压力对应转换成0～10V的电信号。

3 控制原理
合上空气开关，供水系统投入运行。将手动、自动开关打到自动上，KM1合上，系统进入全自动运行状态，PLC中程序首先接通KM2，并起动变频器。根据压力设定值（根据管网压力要求设定）与压力实际值（来自于压力传感器）的偏差进行PID调节，并输出频率给定信号（IRF）给变频器。变频器根据频率给定信号及预先设定好的加速时间控制水泵的转速以保证水压保持在压力设定值的上、下限范围之内，实现恒压控制。同时变频器在运行频率到达上限（设定为工频50Hz），会将频率到达信号送给PLC，PLC则根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要起动第2台泵（或第3台泵）。
当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间（程序设定为15s），则PLC会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速（时间设定为5s）起动下1台泵变频运行。此时PID会继续通过由远传压力表送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。3台泵切换及变频控制程序框图如图3所示。

图3 系统控制程序框图

增泵工作过程：假定增泵顺序为l、2、3泵。开始时，1泵电机在PLC控制下先投入调速运行，其运行速度由变频器调节。当供水压力小于压力预置值时变频器输出频率升高，水泵转速上升，反之下降。当变频器的输出频率达到上限（50Hz），并稳定运行15s后，如果供水压力仍没达到预置值，则需进入增泵过程。在PLC的逻辑控制下将1泵电机与变频器连接的电磁开关断开，延时1s后，1泵电机切换到工频运行，同时变频器与2泵电机连接，控制2泵投入调速运行。如果还没到达设定值，则继续按照以上步骤将2泵切换到工频运行，控制3泵投入变频运行。
减泵工作过程：假定减泵顺序依次为3、2、1泵。当供水压力大于预置值时，变频器输出频率降低，水泵速度下降，当变频器的输出频率达到下限（30Hz），并稳定运行一段时间（30s）后，把变频器控制的水泵停机，如果供水压力仍大于预置值，则将下一台水泵由工频运行切换到变频器调速运行，并继续减泵工作过程。如果在晚间用水不多时，当最后一台正在运行的主泵处于低速运行时，如果供水压力仍大于设定值，则停机并启动辅泵投入调速运行，从而达到节能效果。

4 结束语
该系统逻辑控制采用PLC控制变频器实现调速恒压供水，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，具有较好的控制效果。该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，节能效率可达40％左右，同时由于采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，偏差能及时进行控制。变频器的加速和减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高，能保证生产工艺稳定，而且由于变频调速器具有十分灵敏的故障检测、诊断、数字显示功能，提高了水泵运行的可靠性。综上所述，采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，为供水领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。