一種由PLC與變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

　　1 前言

　　日常的生活用水量隨季節(jié)、晝夜、上下班時間的不同而有較大變化，因而經(jīng)常出現(xiàn)水壓的劇烈波動。利用PLC、變頻調(diào)速裝置和壓力傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制水泵的轉(zhuǎn)速，不但能保證系統(tǒng)管網(wǎng)的恒壓，減少供水欠壓和過壓不合理現(xiàn)象,而且設(shè)備和系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠,節(jié)能顯著。

　　2 恒壓供水原理

　　來自市政管網(wǎng)水源或地下水源進入蓄水池后,由變頻器控制的水泵將水直接加壓送入供水管網(wǎng)直至各個用水點。根據(jù)供水管網(wǎng)流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率,調(diào)節(jié)電動機和水泵的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)恒壓供水。壓力變化通過壓力檢測(壓力傳感器)將數(shù)據(jù)傳送給運算處理系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)出水泵加速或減速指令，使之滿足壓力要求，如圖1所示。一臺泵全速運行不能滿足壓力要求時，自動投入第2號、第3號水泵;反之逐一停下第2號、第3號水泵。總之，讓管網(wǎng)達到恒壓的目的。

　　圖1 恒壓供水原理圖

　　3 系統(tǒng)電路設(shè)計

　　系統(tǒng)主要由一臺西門子S7-200可編程控制 器、一臺惠豐F1500-G變頻器、壓力傳感器、接觸器、自動開關(guān)、熱繼電器、3臺水泵等構(gòu)成。系統(tǒng)主回路采用一拖多方式,如圖2所示，合上空氣開關(guān)后，當(dāng)交流接觸器Q0.0、Q0.1、Q0.2閉合時，水泵為變頻運行;當(dāng)交流接觸器Q0.3、Q0.4、Q0.5閉合時,水泵為工頻運行。3個熱繼電器KH1、KH2、KH3對三臺電機進行保護,避免電機過載時過熱燒毀。

　　圖2 系統(tǒng)主回路圖

　　4 PLC控制程序設(shè)計

　　PLC和變頻器是本系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)穩(wěn) 定運行的關(guān)鍵取決于PLC程序的合理性和可行性以及變頻器參數(shù)的設(shè)定。

　　4.1 PLC程序流程

　　本系統(tǒng)采用手動和自動兩種工作方式，手動運行方式主要為檢修和故障時使用，可根據(jù)需要，通過開關(guān)按鈕控制三個泵工頻運行;自動運行方式為系統(tǒng)日常運行方式，合上自動開關(guān)，系統(tǒng)啟動時，單泵變頻運行。根據(jù)壓力傳感器反饋的信號，通過PID運算處理，變頻器發(fā)出變頻信號，當(dāng)變頻泵運行頻率達到設(shè)定的上限頻率,該泵轉(zhuǎn)為工頻運行同時增加一臺水泵變頻運行;當(dāng)變頻泵運行頻率達到設(shè)定的下限頻率,減少一臺工頻泵運行。

　　圖3 程序流程圖

　　同時，通過泵號管理子程序，當(dāng)系統(tǒng)自動運行一天時，泵號自動切換，每臺水泵工作情況基本相同，可使系統(tǒng)免維護。程序流程如圖3所示。

　　4.2 PLC程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)PLC控制程序由主程序和6個子程序組成，程序設(shè)計采用梯形圖設(shè)計方法，直觀并便于調(diào)試和維護。由于供水系統(tǒng)是一個較大但無法突變的系統(tǒng)，設(shè)計上采取查詢方式為主，中斷方式為輔，采用模糊PID參數(shù)控制。PLC輸入輸出地址如表1所示、程序地址分配如表2所示，實現(xiàn)主程序如圖4。

　　4.3 變頻器參數(shù)設(shè)定

　　變頻器變頻運行，水泵轉(zhuǎn)速過低時，水泵全揚程小于實際揚程，容易形成“空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，所以變頻下限設(shè)為20Hz;水泵高速運行達額定功率(50Hz)時，變頻器V/F補償功能，往往使水泵實際轉(zhuǎn)速略高于工頻運行轉(zhuǎn)速，考慮到實際情況將變頻上限設(shè)定為49Hz。

　　另外，變頻器自帶欠壓保護、過載保護等功能，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時可及發(fā)出警告，便于維護。

　　4.4 PID模糊控制

　　模糊控制技術(shù)是克服了經(jīng)典控制理論依靠系統(tǒng)數(shù)字模型的缺點，是一種基于語言規(guī)則和模糊推理的高級控制策略。本系統(tǒng)利用西門子S7-200擴展模擬量處理混合模塊EM235完成對水壓信號的采集和對變頻器的控制，PLC接收管網(wǎng)中的壓力值，與給定值進行比較，計算偏差e及偏差變化Δe值，乘以相應(yīng)的量化因子，取整后變換成模糊變量E和ΔE。得到控制量增量Δu然后乘以比例因子，變?yōu)閷嶋H控制量論域值Δu(k)，從而計算出總的控制量 u(k)=u(k-1)+Δu(k)。該值送入PLC的輸出寄存器，經(jīng)處理后變?yōu)?∽5V的電壓信號送給變頻器，改變電機轉(zhuǎn)速達到控制水壓的目的。

　　圖4 恒壓供水系統(tǒng)主程序

　　4.5 試驗情況

　　本系統(tǒng)于2008年7月11日至24日進行了2周的實地測試，第一周系統(tǒng)采用手動運行方式，手動調(diào)節(jié)控制水泵投入使用;第2周采用自動運行方式，變頻調(diào)速方式控制水泵投入使用。測得數(shù)據(jù)表明本系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，如表3。

　　4 結(jié)語

　　由西門子S7-200系列PLC、惠豐F1500-G變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統(tǒng)，充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置的PID運算模塊，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、投入使用泵數(shù)，達到恒壓供水的目的;通過泵號管理程序，實現(xiàn)泵號自動切換，使每臺水泵工作狀況基本相同，提高設(shè)備利用率并減少維修費用;同時通過變頻器自帶保護功能可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷。實際運行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、便于維護和高節(jié)能性等特點，具有很大的應(yīng)用價值。