顧娟

摘 要：在城市高樓快速發(fā)展的今天，以前城市供水所必需的水塔、水箱以及氣壓供水設(shè)備，由于水質(zhì)污染和水壓不足，已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代人民生活的需要，水廠的自動化改造迫在眉睫。本文則采用PLC、變頻器、電動機等組成全自動恒壓供水控制系統(tǒng)，根據(jù)水管壓力自動調(diào)節(jié)供水流量，使水管壓力恒定。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水；壓力

1 引言

由于城市經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡現(xiàn)象。所以需要用水泵將水送至樓頂?shù)母呶凰?，再供?yīng)給用戶。但是，這種二次供水方式會造成不可避免的污染，影響居民的身體健康。為保證小區(qū)的供水正常，我們利用PLC和不同功能的傳感器，根據(jù)水管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力變化不大。這種變頻恒壓供水系統(tǒng)直接取代水塔、高位水箱及傳統(tǒng)的氣壓罐等供水裝置。還有就是我們結(jié)合使用PLC，可實現(xiàn)循環(huán)變頻，電機軟啟動，具有短路保護、過流保護功能，工作穩(wěn)定，大大延長了設(shè)備的使用壽命。

2 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運行的方式，壓力傳感器將主水管的水壓變換為電信號，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力值與實際值進行PID運算，輸出控制信號經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行，當(dāng)用水量大到水泵全速運行也不能保證水管的壓力穩(wěn)定時，PLC給定的最小壓力信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵切換到工頻運行，以保持壓力的恒定，同時將下一臺備用泵用變頻器起動后投入運行，以加大水管的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺泵運轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵切換到工頻運行，再將一臺備用泵投入變頻運行。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效，這時最大壓力信號仍然出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述2個信號仍存在時，PLC再停掉第2臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。

所有水泵電機從停止到啟動以及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。同時，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率?？刂葡到y(tǒng)的原理圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)選用了西門子公司的S7-200PLC，以輸入/輸出擴展模塊組成，主要檢測元件有光電開關(guān)、壓力檢測開關(guān)等12個輸入信號。執(zhí)行部件有電機、變頻器、聲光報警器等3個輸出點。PLC主要完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲、報警、控制變頻器完成壓力調(diào)節(jié)等功能。3臺水泵由變頻器直接驅(qū)動，進行恒壓控制，變頻器的起動、停止分為手動和自動控制?？刂泼姘迳显O(shè)有一個手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，PLC對該開關(guān)的狀態(tài)實時檢測，當(dāng)選擇手動功能時，PLC只能進行檢測報警，由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)進行水泵的起、停和切換。當(dāng)選擇自動功能時，所有控制、報警均由PLC完成。

3.2 系統(tǒng)軟件

為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警模塊組成。

（1）手動運行模塊

當(dāng)系統(tǒng)處于手動運行時，PLC只接收各電路保護信號和各傳感器信號，并由此判斷各工作水泵的運行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報警信號。水泵的起、停和切換由人工通過控制面板上的開關(guān)來實現(xiàn)。

（2）自動運行模塊

自動運行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開機命令的檢測、數(shù)據(jù)采集、控制量運算、置初值、電機控制等。

控制量運算模塊完成變頻器控制量的計算和輸出，其中控制量的計算按變頻器內(nèi)部的PID控制規(guī)律進行。電機控制模塊完成對3臺水泵的運行和停止控制。由于變頻器的輸出頻率與水泵的運轉(zhuǎn)速度直接相關(guān)，用水量大時，變頻器輸出頻率升高，水泵的運轉(zhuǎn)速度大；用水量小時，頻率降低，水泵的運轉(zhuǎn)速度小。因此程序根據(jù)變頻器的輸出頻率的大小就可以判斷和控制水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)頻率上升到50 Hz仍然不滿足供水需要時，則PLC自動將第一臺泵切換到工頻運行；第2臺泵由變頻器控制投入運行，如果第2臺泵電機達到滿轉(zhuǎn)速時仍然不滿足供水要求，則PLC自動將第2臺泵切換到工頻運行，第3臺泵由變頻器控制投入運行，依此規(guī)律逐個投入運行；當(dāng)?shù)?臺泵都處于工頻運行方式，第3臺泵處于變頻運行工作方式時，如果此時用水量減小，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)頻率達到Fmin時，供水量仍然大于用水量，則PLC自動將第三臺泵停止運行。同樣，第三臺泵停機后，如果此時供水量還大于用水量，則PLC自動將第二臺泵停止運行，依此類推。

（3）故障診斷和報警輸出模塊

變頻器具有短路、過載等保護功能，當(dāng)變頻器所驅(qū)動的水泵電機發(fā)生短路、過載等故障時，變頻器將自動切斷一次供電回路，進入保護狀態(tài)并輸出報警信號。系統(tǒng)把各故障點相應(yīng)的接觸器、斷路器等元件的輔助觸點接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點的狀態(tài)，并通過PLC程序?qū)⑦@些狀態(tài)存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)進行邏輯分析，判斷設(shè)備或元件是否出了故障，如果發(fā)生故障，則切斷該泵的接觸器，然后對變頻器進行復(fù)位，再將備用水泵的接觸器接通，啟動變頻器運行備用泵，同時輸出該泵故障報警信號。如電機故障指示燈亮等。

4 結(jié)速語

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機的無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。在實際應(yīng)用中，采用PLC控制恒壓供水，還能容易地隨時修改控制程序，以改變各元件的工作時間和工作狀況，滿足不同情況要求。與繼電器或硬件邏輯電路控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更大的靈活性和通用性。另外，S7-200PLC基本單元還提供了一個數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)與監(jiān)控中心的通訊，實現(xiàn)無人遠程控制。

參考文獻

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