PLC在恒壓供水變頻調速控制系統中的應用

1 引言
恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產過程中，若自來水供水壓力不足或短時斷水，可能會影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。

基于上述情況對某生活區供水系統進行了改造，采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID相結合，根據系統狀態可快速調整供水系統的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統的工作穩定性，得到了良好的控制效果。

2 系統結構與工作原理
供水系統由主供水回路、備用回路、儲水池及泵房組成，其中泵房裝有1#～3#共3臺150kW泵機。另外，還有多個電動閘閥或電動蝶閥控制各供水回路和水流量。由于該供水網較大，系統需要供水量每小時開2臺泵機向管網充壓，供水量大時，開3臺泵機同時向管網充壓。要想維持供水網的壓力不變，在管網系統的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件，為控制系統提供反饋信號，由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓比較慢，故系統是一個大滯后系統，不宜直接采用PID調節器進行控制，而應采用PLC參與控制的方式來實現對控制系統調節作用。可編程序控制器選擇日本松下FP1-C40型，且配有A/D和D/A模塊，其原理框圖如圖1所示。變頻器選擇FRN1 60G7P-4實現電動機的調速運行。

控制系統主要由PLC、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成。控制核心單元PLC根據手動設定壓力信號與現場壓力傳感器的反饋信號經PLC的分析和計算，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經過PID運算后，PLC將0～5V的模擬信號輸出到變頻器，用以調節電機的轉速以及進行電機的軟起動;PLC通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，通過I/O端口開關量的輸出驅動切換繼電器組，以此來協調投入工作的電機臺數，并完成電機的起停、變頻與工頻的切換。通過調整電機組中投入工作的電機臺數和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使動力系統的工作壓力穩定，進而達到恒壓供水的目的。

圖1 恒壓供水系統原理圖

3 系統程序設計和PLC的I/O分配
系統程序包括起動子程序和運行子程序，其流程圖如圖2所示。運行子程序又包括模擬調節子程序(其流程圖如圖3所示)和電機切換子程序(流程圖略)，電機切換子程序又包括加電機子程序和減電機子程序(程序設計略)。PLC的輸入、輸出端子分配情況如附表所示。

圖 2 起動程序流程圖


圖3 模擬調節流程圖

附表 可編程序控制器(C40)部分輸入、輸出端子分配

4 系統工作過程
加上起動信號(X4)后，此信號被保持，當條件滿足(即X2為“1”)時，開始起動程序，此時由PLC控制1# 電機變頻運行(此時Y0、Y6、Y7亮)，同時定時器T0開始計時(10s)，若計時完畢X2仍亮，則關閉Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延時1s(延時是為了兩方面的原因:一是使開關充分熄弧，防止電網倒送電給變頻器，燒毀變頻器;二是讓變頻帶器減速為零，以重新起動另一臺電機)。延時完畢，則有1#機投入工頻運行，2#機投入變頻運行，此時Y1、Y2、Y6、Y7亮，同時定時器T1開始計時(10s)，若計時完畢X2仍未滅，則關閉Y2、Y6，(Y1、Y7仍亮，)T3延時1s，延時完畢，將2#機投入工頻運行，3#機投入變頻運行，(此時Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7滅掉后，則整個起動程序執行完畢，轉入正常運行調節程序，此后起動程序不再發生作用，直到下一次重新起動。在起動過程中，無論幾臺電機處于運行狀態，X2一旦滅掉，則應視為起動結束(Y7滅掉)，轉入相應程序。綜合整個起動過程，完成3臺電機的起動最多需要22s的時間。

運行過程中，若模擬調節器節上、下限值均未達到(即X1、X2滅)，則此時變頻器處于模擬調節狀態(此時相應電機運行信號和Y6亮)。

若達到模擬調節上限值(X1亮)，則定時器T4馬上開始定時(5s)。定時過程中監控X1，若X1又滅掉，則關閉定時器，繼續摸擬調節;若T4定時完畢，X1仍亮，則起動一低速(Y8亮)，進行多段速調節，同時定時器T5開始定時(3s)，定時完畢。若X1仍亮，則關閉此多段速，起動一更低速(Y9)，同時定時器T6定時(10s)。定時完畢，若X1仍亮，則關掉Y9，此后X0很快會通，轉入切換動作程序。在此兩級多段速調節過程中，無論何時，若X0亮，則會關閉相應多段速和定時器，同時進行切換動作，即轉入切換程序。同樣，若無論何時，X1滅掉，則關閉運行多段速和定時器，轉入模擬調節。

若達到模擬調節下限值(X2亮)，則定時器T7馬上開始定時(5s)，定時過程中監控X2，若X2又滅掉，則關閉定時器，繼續摸擬調節，若T7定時完畢，X2仍亮，則起動一高速(Y7、Y2)，進行多段速調節，同時定時器T8開始定時(3s)，定時完畢。若X2仍亮，則關閉此多段速，起動一更高速(Y8、Y9)，同時定時器T9定時(10s)，定時完畢。若X2仍亮，則關掉Y8、Y9，此后X3很快會通，轉入加電機動作程序。在此兩級多段速調節過程中，無論何時，若X3亮，則會關閉相應多段速和定時器，同時進行加電機動作，即轉入加電機程序。同樣，若無論何時，X2滅掉，則關閉運行多段速和定時器，轉入模擬調節。

電機切換程序分為電機切除程序和加電機程序兩部分。此程序動作的條件是:起動結束后無論何時X0亮，一旦條件滿足，即由PLC根據電動機的運行狀態來決定相應切換哪臺電機，切換時只能切換工頻運行電機。

若工作狀態是1臺變頻1臺工頻，則立即切除工頻電機，然后計數值減1，即完成此過程，再由調節程序運行，調節至滿足要求為止。

若3臺電機同時工作，則應由PLC來決定切除哪臺工頻運行電機。切除依據是3臺電機對應計數器的大小，誰大切誰，切除掉一臺后，要由定時器定時(5s)等待，以便變頻器調節一段時間，防止連續切除動作。這主要是考慮到本系統的非線性和大小慣性因素而采取的措施。 圖3運行時模擬調節子程序流程圖加電機程序，其動作程序是:起動結束后無論何時X2亮，一旦條件滿足，立即關掉變頻運行電機和變頻器，延時一段時間后(原因同上)，將原變頻運行電機投入工頻運行，同時打開變頻器和將要起動電機的變頻開關，完成加電機。

同樣，若原有2臺電機工頻工作，則X2一亮，立即開始加另一臺電機(無延時)，(加電機依據是判斷計數值，誰小加誰)但加電機完成以后，定時器要開始定時(5s)等待，讓變頻器調節一段時間，防止連續加電機動作。其過程分為:1# → 2#、1# → 3#、2# → 3#、2# → 1#、3# → 2#、 3# → 1#。

5 結束語
用變頻調速來實現恒壓供水，與用調節閥門來實現恒壓供水相比較，節能效果十分顯著。其優點是:起動平穩，起動電流可限制在額定電流以內，從而避免了起動時對電網的沖擊;由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應;在鍋爐和其他燃燒重油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環境的污染。