基于PLC和變頻器的變頻恒壓供水系統

　　供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。在居民生活用水、工業用水、各類自來水廠、油田、油庫、鍋爐定壓供熱和恒壓補水噴淋及消防等供水系統中，采用傳統的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設備，不但占地面積和設備投資大，維護困難，且不能滿足高層建筑、工業、消防等高水壓、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機性，采用傳統方法難以保證供水的實時性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時間較短，這樣水泵在很長一段時間內有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩，而且造成大量電力浪費。這里介紹一種由可編程控制器控制的變頻恒壓供水系統，它既能解決人工操作的繁雜勞動和精神壓力，又能節約能源。

　　一、系統介紹

　　變頻恒壓供水控制系統由PLC控制器、觸摸屏顯示器、變頻調速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器等其它電控設備以及3臺水泵(水泵數量可以根據需要設置)和一臺小流量泵等構成，如圖1所示。在供水系統總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，將檢測的壓力信號與設定的壓力信號經過PID運算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調整電動機的轉速，保持供水壓力的恒定，這樣就構成了以設定壓力為基準的壓力閉環系統;自動檢測水池水位信號與設定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實際供水壓力和設定供水壓力和各泵的工作狀態等信息;可以通過觸摸屏在線修改設定供水壓力和控制水泵的運行。該系統還設有多種保護功能，尤其是強電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。

　　圖1：變頻恒壓供水系統的組成

　　二、工作原理

　　該系統具有手動和自動兩種運行方式：

　　2.1手動運行方式

　　選擇此方式時，按啟動按鈕泵或停止按鈕，可根據需要而分別啟停各水泵。這種方式僅供檢修或控制系統出現故障時使用。

　　2.2自動運行方式

　　2.2.1啟動程序

　　在自動運行方式下開始啟動運行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經PID運算后控制變頻器的頻率輸出;如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，將1#泵切換為工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動2#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達到設定壓力，依次類推增加水泵。

　　2.2.2水泵切換程序

　　如用水量減小，出水壓力超過設定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設定值(水泵出水頻率，一般為25Hz)，而出水壓力仍高于設定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內，出水壓力降低到設定壓力，PLC放棄計時，繼續變頻調速運行;若在一定時間內出水壓力仍高于設定壓力，根據先投先停的原則，PLC將停止正在運行的水泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。

　　2.2.3啟動小流量泵

　　對于居民生活供水或其它用水時段性較強的供水系統，可設置一臺小流量水泵。例如在晚上12點到凌晨5點，居民生活用水很少，一臺30kW的水泵為了維持供水壓力也需要長時間工作在25Hz左右，電動機不僅要消耗十幾個千瓦的電能，同時還要長期工作在低頻狀態，大大影響電動機的壽命。若系統中設置一臺5KW左右的小流量水泵，為了維持出水壓力，由小流量水泵變頻工作，不僅電動機工作在較高頻率，而且消耗的電能也很小。在小流量水泵的選擇上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，揚程和主泵相同。

　　2.2.4水池水位檢測

　　在自動供水的過程中，PLC實時檢測水池水位，若水位低于設定的報警水位時，蜂鳴器發出缺水報警信號;若水位低于設定的停機水位時，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發出停機報警信號;若水池水位高于設定的水池上限水位時，自動關斷水池給水管電動閥門。

　　2.2.5自動啟動

　　有時電源會突然斷電，若無人值班，恢復供電后若系統無法啟動會造成斷水，為此本系統設置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復后，PLC會發出指令，蜂鳴器發出警告，然后按自動運行方式變頻啟動1#泵，直到穩定地運行在給定水壓值。

　　2.2.6消防報警當出現消防報警信號時，系統立即按照消防壓力運行。

　　2.2.7故障處理

　　變頻故障從冗余設計原則考慮，在變頻器發生故障時也要不間斷供水。當變頻器突然發生故障，蜂鳴器報警，PLC發指令使全部水泵停機，然后1#泵工頻運行(若水泵功率大于37KW，則需要采用降壓啟動或其它啟動方式)，經一定延時后根據壓力變化情況再使2#泵工頻運行。此時，PLC切換泵則根據實際水壓的變化在工頻泵間切換。當出現水池無水停機、電動機欠壓、過壓、錯相、電機故障等情況時，均能由蜂鳴器發出警報聲。條件許可時可以添加MODEM模塊，在變頻器、電動機發生故障時能通過遠程通信口撥叫值班人員電話，通知有關人員前來維修。所有故障解決、恢復正常后，自啟動前也要發出報警信號。

　　三、控制系統配置及軟件編程

　　3.1控制系統硬件配置

　　3.1.1PLC的選擇

　　可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機，I/O點數為40點(24個輸入點和16個輸出點)，具有2個RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是S7-200PLC的一個很有特色的功能，它使S7-200PLC可以由用戶自己定義通訊協議。利于自由通訊口方式，在本系統中PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個完整的編程環境，可進行離線編程和在線連接和調試，并能實現梯形圖與語句表的互相轉換。

　　3.1.2變頻器及控制方式選擇

　　在傳統的變頻控制系統中，變頻器的啟動/停止由PLC通過開關量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過模擬量輸出端口輸出0～5(10)V或4～20mA信號控制的，這需要購買PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由PLC讀取變頻器的故障報警觸點，只是知道變頻器出現故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。

　　因此在本系統中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現的，變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風機/泵類專用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價比較高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計運行時間和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數，并通過觸摸屏顯示出來，這比通過外部端口控制變頻器的運行具有較高的可靠性，節省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。

　　3.1.3觸摸屏

　　觸摸屏選用臺灣HITCH公司生產的PWS系列，它具有豐富的驅動程序，可方便地通過串口與S7-200系列PLC通訊。通過觸摸屏可以直觀地顯示各泵的運行狀態、管網實際出水壓力、設定壓力、變頻器的電壓、電流、功率及各種故障信息等參數;操作人員通過觸摸屏可以方便的在線設置生活供水壓力、消防供水壓力、變頻器加減速時間、各泵的在線/檢修狀態等參數，并可以通過觸摸屏控制各水泵的運行。

　　3.1.4控制電路設計

　　在控制電路設計中，注意到系統自動/手動轉換、每臺水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統中出現一臺水泵工頻和變頻電源同時接通或多臺水泵同時接通變頻電源的現象。系統主要控制回路如圖2所示。

　　圖2:：變頻恒壓供水系統的PLC控制電路

　　3.2PLC軟件編程

　　整個系統PLC既有開關量和模擬量的輸入/輸出，又有與變頻器和觸摸屏的通訊，因此在PLC控制軟件編程上采用模塊式結構，各種功能的程序模塊通過主程序有機地結合起來，使系統運行穩定可靠。

　　在主程序中，PLC上電初使化，檢測系統各部分狀態信息，若有報警信息則首先發出警告，若無報警信息，則開始從1#泵(1#泵被切除出系統，則從泵號最小的在線泵)變頻啟動，實時檢測出水壓力并進行PID運算，控制變頻器的輸出頻率，保持供水壓力恒定;若變頻器頻率達到50Hz延時幾秒后，出水壓力仍低于設定壓力，則將1#泵切換為工頻，變頻啟動2#泵以保持壓力恒定并依此類推。若出水壓力超過設定壓力，則變頻器降低輸出頻率來穩定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于設定水泵出水頻率而出水壓力仍高于設定壓力值時，延時一段時間后根據先投先停的原則，停止正在運行水泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。若系統只有一臺水泵變頻運行且連續一段時間頻率低于設定出水頻率，則切除變頻運行主泵，投入小流量泵，既保護主泵電動機，又節約能源。

　　四、結束語

　　在供水系統中采用變頻調速運行方式，可根據實際需要水壓的變化自動調節水泵電機的轉速或加減泵，實現恒壓供水，節能降耗;系統增加了小流量泵，延長主泵電動機使用壽命。變頻器故障后仍能自動運行，基本保障了不間斷供水，同時采用PLC與變頻器通訊的方式控制變頻器運行，具有一定的先進性。