花秀鑾

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備，由于水質污染和水壓不足，已經遠遠不能滿足現代人民生活的需要，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，根據水管壓力自動調節(jié)供水流量，使水管壓力恒定。

關鍵詞：PLC；變頻調速；恒壓供水；壓力

1 引言

由于城市經常出現供水用水的不平衡現象。所以需要用水泵將水送至樓頂的高位水箱，再供應給用戶。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，根據水管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，使水管中的壓力變化不大。這種變頻恒壓供水系統直接取代水塔、高位水箱及傳統的氣壓罐等供水裝置。還有就是我們結合使用PLC，可實現循環(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，大大延長了設備的使用壽命。

2 系統概述

系統采用3臺水泵并聯運行的方式，壓力傳感器將主水管的水壓變換為電信號，經模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據給定的壓力值與實際值進行PID運算，輸出控制信號經模擬量輸出模塊至變頻器，調節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行，當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。當用水量減少時，首先表現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，PLC首先將最先工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述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，系統供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統有備用泵，又保證系統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)生銹死現象，提高了設備的綜合利用率。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

系統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、壓力檢測開關等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主要完成現場的數據采集、轉換、存儲、報警、控制變頻器完成壓力調節(jié)等功能。3臺水泵由變頻器直接驅動，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有一個手動/自動轉換開關，PLC對該開關的狀態(tài)實時檢測，當選擇手動功能時，PLC只能進行檢測報警，由人工通過面板上的按鈕和開關進行水泵的起、停和切換。當選擇自動功能時，所有控制、報警均由PLC完成。

3.2 系統軟件

為方便調試和編程，系統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

當系統處于手動運行時，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來實現。

（2）自動運行模塊

自動運行模塊包括系統的初始化、開機命令的檢測、數據采集、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速度直接相關，用水量大時，變頻器輸出頻率升高，水泵的運轉速度大；用水量小時，頻率降低，水泵的運轉速度小。因此程序根據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；當第2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，當變頻器所驅動的水泵電機發(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。系統把各故障點相應的接觸器、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程序將這些狀態(tài)存放在數據存儲區(qū)，再結合控制程序和設備預置狀態(tài)進行邏輯分析，判斷設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 結速語

變頻調速恒壓供水系統具有節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點。采用PLC作為控制器，硬件結構簡單，成本低，系統實現水泵電機的無級調速，依據用水量的變化自動調節(jié)系統的運行參數，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相比，PLC控制系統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據接口，可以實現與監(jiān)控中心的通訊，實現無人遠程控制。

參考文獻

[1]王兆義.可編程控制器原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[2]李世基.微機與可編程控制器[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3]西門子SIMATIC S7-200可編程控制器操作與編程指南[S].重慶鋼鐵設計研究所，2013.