PLC 與變頻器組成的恒壓供水系統(tǒng)

0 引言

恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，可依據(jù)用水量的變化(實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化)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，是當今先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)，且技術日趨成熟。

PLC 與變頻器應用到恒壓控制系統(tǒng)后，使系統(tǒng)運行可靠，控制精度高既節(jié)省了人力又節(jié)約了能源，同時在變頻器軟啟動下，使電機、水泵的使用壽命得到延長。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 變頻調(diào)速的節(jié)能原理

圖1 中曲線1 是閥門完全打開時供水系統(tǒng)的阻力特性曲線，曲線2 是額定轉速時泵的揚程特性曲線，供水系統(tǒng)的工作點為A，流量為qa，揚程為ha，電動機的軸功率與面積O-qa-A-ha-O 成正比。要將流量減少為qb的主要調(diào)節(jié)方法有兩種：傳統(tǒng)方法是保持電動機(水泵)的轉速不變，將閥門關小，阻力特性如曲線3 所示，工作點移至B點流量為qb，揚程為hb，電動機的軸功率與面積Oqb-B-hb-O成正比。采用變頻調(diào)速是保持閥門的開度不變，降低電動機(水泵)的轉速，這時揚程特性曲線如曲線4 所示，工作點移至C 點，流量仍為qb，但揚程為hc，電動機的軸功率與面積O-qb-Chc-O成正比，實現(xiàn)了節(jié)能的目的。

1.2 系統(tǒng)控制方案及水泵循環(huán)投切原理

系統(tǒng)變頻調(diào)速由PLC 與變頻器共同完成，其原理如圖2 所示。在水站出水管處放置一個壓力傳感器，變送器負責將傳感器壓力信號轉換為1耀5 V直流電壓信號送入PLC 的閉環(huán)控制模塊，該信號與壓力給定值相比較，并經(jīng)PID運算，由模塊輸出一個4耀20 mA(也可為0耀10 V)的控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，實現(xiàn)電動機的無級調(diào)速，達到輸出供水管水壓穩(wěn)定在所設定的壓力。

圖2中，接觸器K1，K2，K3 使水泵工作在工頻狀態(tài)，而K4 ，K5 ，K6 則與變頻器輸出相連使水泵工作在變頻狀態(tài)，考慮到每臺水泵不能同時工作在工頻與變頻狀態(tài)，在電氣設備上采用接觸器聯(lián)鎖保護。初始狀態(tài)，變頻器輸出連接在第一臺水泵電機上，管網(wǎng)壓力上升，當壓力小于給定值，需要加泵時，由變頻器的繼電器輸出端口發(fā)出信號到PLC，由PLC 控制切換過程。變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，以此類推，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行。

需要減泵時，系統(tǒng)將依次將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時，變頻器連接在第三臺水泵上。

這種方式保證永遠有一臺水泵在變頻運行，三臺水泵中的任一臺都可能變頻運行。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時間基本相同，這給維護和檢修帶來方便，并提高了系統(tǒng)的使用壽命。所以，大部分的供水廠家都基本采用此循環(huán)投切方案。

但此方案也有不足之處，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網(wǎng)短時失壓，在設計時應充分地引起重視。另外，在圖2 中還可增加軟啟動器作為備用。當變頻器或PLC出現(xiàn)故障時，可用軟起動器手動輪流起動各泵運行以保證正常供水。

系統(tǒng)運行后，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運行中帶載脫閘，切換過程應按以下的程序進行。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運行時，當變頻器的輸出頻率達到頻率上限(變頻器可設定為50 Hz)，運行60 s管網(wǎng)水壓未達到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是先關該臺水泵電磁閥，然后變頻器停車(停車方式設定為自由停車)，水泵電機慣性運轉，考慮到電機中的殘余電壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延時一段時間，到電機中的殘余電壓下降到較小值，保證與電源電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小。例如某水廠160 kW水泵電機的切換時間為600 ms，連接在電機工頻回路中的空氣開關容量

為400 A。關閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms 時電機的轉速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小。切換完成后，再打開電磁閥，已停車的變頻器起動并運行另外的水泵。當變頻器輸出檢測到頻率下限(可設定為30 Hz)后，應該切除最早啟動的工頻泵，切除工頻泵時，也應先關閥，后停車，這樣無“水錘”現(xiàn)象產(chǎn)生。上述這些操作都是由PLC控制自動完成。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

整個系統(tǒng)的執(zhí)行過程全部是由PLC來自動完成的，PLC 根據(jù)變頻器發(fā)出的頻率上限與下限信號來控制3臺水泵電機之間的循環(huán)投切，經(jīng)對比，3 臺水泵之間的切換是有規(guī)律可循的，因為在同一時間只有一臺水泵處在變頻狀態(tài)，所以用變頻水泵的狀態(tài)作為查詢狀態(tài)位，工頻狀態(tài)位作為次判斷位，來分步編寫PLC的程序。系統(tǒng)選用日本立石公司的CPM2A 系列PLC，確定6 個交流接觸器的輸出分別為K1

(10.00)，K2(10.01)，K3(10.02)，K4(10.03)，K5(10.04)，K6(10.05)，變頻器頻率上限信號輸入為0.00，下限信號輸入為0.01。假設現(xiàn)在變頻器處在第一臺工頻，第二臺變頻狀態(tài)下，接觸器K1、K5 處在閉合狀態(tài)，即10.00、

10.04 輸出為1，其它輸出點輸出為0，則系統(tǒng)部分程序如圖3 所示。

圖3 中只是簡單的程序思路，而切換過程中還要考慮時間延時以及電磁閥的動作

問題，這里不多介紹。

3 結語

以CPM2A 系列PLC和變頻器為控制器的多泵恒壓供水系統(tǒng)已在某學校投入使用，試驗結果證明，系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定，控制精度高，運行可靠，節(jié)省電能，系統(tǒng)至今運行正常。