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基于PLC的变频恒压供水系统的设计
【摘要】
在我国，可编程控制器（PLC）已经广泛地运用在所有的工业部门，是应用最广的计算机控制装置，是自动控制系统中的关键设备，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大。
本文是一个采用PLC与变频器构成恒压变频供水系统的设计，设计内容流畅、所设计的电路单元较为合理。
关键词：PLC 变频器 恒压供水
【前言】
长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在这种供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，变频调速技术在给水泵站的应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有水压稳定、维护运行成本低等明显优势。
1. 可编程控制器(PLC)的概述
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化的主要 控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的应用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。
国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了以下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。
2．变频器的工作原理
我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：
n＝60 f(1－s)/p (1)
式中 n———异步电动机的转速；
f———异步电动机的频率；
s———电动机转差率；
p———电动机极对数。
由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
3.恒压供水的定义及工作原理
3.1所谓恒压供水,是指供水系统的供水压力始终保持在差值较小的上、下限之间。PLC控制的组合全自动供水系统,指的是当供水系统的用水量变化时,由装在供水主管道的电接点压力表检测设定的供水压力上限P上限和下限P下限的开关信号,输入PLC后,PLC根据这两个压力开关的信号的状态,自动控制数台扬程相同、流量不等的水泵组合启动运行。
3.2恒压供水原理
通过管网中压力传感器将信号送入变频控制装置中，恒压控制器（由PLC和软件组成），恒压控制器将信号送人变频控制器，当管网中压力增大时，恒压控制器输出的值增大，即变频器输入端值增大，使得速度电压下降，同时控制电机速度下降，水泵轴功率减小，水泵的流量减少，当到达所需恒定压力值时，此时系统处于动态平衡。当管网中压力减小时，这时恒压控制器中的输出值减小，即变频器输入端值减小，从而使得变频器速度电压下降，直到动态平衡。
3.3变频恒压供水的构成
变频恒压供水系统主要由水池、变频控制柜、压力传感器、离心泵、触摸屏显示器等组成。变频控制柜由断路器、变频调速器、接触器、中间继电器、PLC等组成。
4.变频恒压供水系统的设计
4.1变频恒压供水系统主要特点如下：
1) 解决低水压问题 ：采用恒压变频供水设备使得整个建筑屋内的供水保持压力恒定。
2) 避免使用屋顶水箱造成的水质污染 ：取代传统的屋顶水箱供水方式，消除了水污染的源头。
3) 减小建筑成本，增大空间面积 ：取消传统的屋顶水箱，使建筑受力减小，结构简单，成本降低。
4) 节约电能，缩小占地面积 ：比一般供水设备节电 30% 以上，该设备占地面积小，安装简单，缩短施工工期。
5) 高品质智能开电脑控制 ：专用自主开发，具有多样化功能，能够提供尖端水准的精密控制，已经达到世界领先水平。
4.2工作条件：
·输送介质：冷热清洁、非易燃易爆并不含固体颗粒或纤维的液体。
·液体温度：常温型 -15 o C 至 +70 o C 热水型 +70 o C 至 +120 o C
·周围环境：无水滴、蒸汽，无漂浮性尘埃及金属微粒场所。无日光照射，高温及严重落尘场所。无腐蚀、易燃性气体及液体场所。
·无震动、保养检查容易之场所。
·环境温度：最高 +45 o C 且通风良好。联接，进行组态控制。
变频器恒压供水系统如图1所示：

图1变频器恒压供水系统连接图
该系统主要由3台水泵、1台变频器、PLC、PID及线性压力传感器等组成。其中PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统。PLC控制各台水泵的运行状态(如工频运行、变频运行、停止)，从而控制水泵的运行台数，在大范围上控制供水的流量; PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制供水的流量。水泵的速度调节采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制，采用“一变多定”的控制方式，并根据PID调节器输出电流信号驱动变频水泵。
4.3主电路设计
该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M1的功率为45kW，M2为22kW，M3为22kW。该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现软启动及转速的调节，实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵。主电路如图2所示。

图2变频器恒压供水系统主电路
其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作。选用西门子公司最新的专用变频器MICROMASTER Eco型变频器。
西门子MICROMASTER Eco型变频器的功能有:
1) 优化的输入输出功能;
2) 优化的调试过程:仅12个基本参数设定便可满足绝大多数的HVAC应用;
3) 长电缆运行:电机与变频器的连接电缆长度可达150m而无需加输出电抗器;
4) 通讯功能:内带的RS－485可简便地与DDC从站或楼宇管理系统连接通讯，速率可达19200bps;
5) 可与所有感应电机匹配:通过简单的参数设定即可使Eco与各种电机适配，Eco内带电机保护功能，防止电机过热;
6) 多电机传动功能:MICROMASTER Eco可控制一组电机以同一频率运行;
7) 捕捉再启动:为确保电源故障恢复后的正确自动再启动，即使电机还在运转，控制系统会控制变频器输出与电机同步的频率;
8) 能耗的优化:在达到给定值后，控制系统会自动优化电机的能耗;
9) 高启动转矩:即使在长时间的运行之后，MICROMA- STER Eco仍可确保各种泵类负载的稳定启动，在加速时，会自动提供附加的启动转矩;
10) 内带PID控制模块:PID功能可与外部的传感器直接连接，可以实现精确的流量、压力或温度控制，可接收0～10V，0～20mA或4～20mA标准反馈信号。闭环系数均可调节以实现不同应用时优化、准确的控制。
4.4控制电路设计
控制电路包括继电器控制电路及PLC控制电路。继电器控制电路图如图3所示。

图3继电器控制电路
其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作。KA0～KA6为中间继电器，它们分别控制KM0～KM6工作。HL0～HL6为指示灯，其中HL0为电源指示灯，HL1～HL3分别指示M1～M3的工频运行，HL4～HL6分别指示M1～M3的变频运行。
图4系统PLC控制电路
图4给出了系统的PLC控制电路。图4中SA7为手动/自动控制转换开关，SA8为自动起/停控制转换开关，P1为压力上限，P2为压力下限，SA1为1#水泵手动起动开关，SA2为1#水泵手动停止开关，SA3为2#水泵手动起动开关，SA4为2#水泵手动停止开关，SA5为3#水泵手动起动开关，SA6为3#水泵手动停止开关，KA0～KA6为中间继电器，它们分别控制KM0～KM6工作。
3.5 PID调节器电路
PID调节器电路如图5所示，PID调节器的引脚11、12为电流输出信号，接图1中的变频器的引脚3、4，PID调节器的引脚18接图3中的PLC输入端子X4，PID调节器的引脚19接图3中的PLC输入端子X5。PID调节器接受压力传感器送来的压力信号，自动调整变频器的频率给定输入，从而控制变频器的输出电压，进而控制变频泵的转速，实现变频泵水流量的稳定控制。

图5 PID调节器电路
4.变频恒压供水系统的应用
1) 各类型自来水系统，井用潜水电泵恒压供水系统。
2) 高层建筑及住宅小区的生活用水；
3) 工矿企业用水，对生产流程要求恒压变量的供水系统，如循环冷却用水、空调制冷、锅炉采暖系统的稳压供水、游泳池循环用水；
4) 油田管道、油库、泵站、油港恒压输油系统及其它输液系统；
5) 农村自来水、农业排灌和建设施工用水、园林喷洒、水景和音乐喷泉系统。
5.结束语
变频恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，变频恒压供水系统具有供水压力稳定,能实现水泵电机的软启动、软停止和高效节能等特点。它可取代传统的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，不仅节能效果显著，还可以极大地改善系统的工作性能，并能延长系统的使用寿命，具有良好的技术、经济效益。
6.致谢
感谢我的指导老师
7.参考文献
l PLC基础及应用/廖常初主编.<2>版.北京:机械工业出版社,2007.6(2009.7重印);
l 通用变频器及其应用/韩安荣. <2>版. 北京:机械工业出版社,2000