一种由PLC与变频器组成的恒压供水系统设计

　　1 前言

　　日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班时间的不同而有较大变化，因而经常出现水压的剧烈波动。利用PLC、变频调速装置和压力传感器组成闭环控制系统来控制水泵的转速，不但能保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压不合理现象,而且设备和系统运行平稳可靠,节能显著。

　　2 恒压供水原理

　　来自市政管网水源或地下水源进入蓄水池后,由变频器控制的水泵将水直接加压送入供水管网直至各个用水点。根据供水管网流量、压力变化自动控制变频器输出频率,调节电动机和水泵的转速,实现恒压供水。压力变化通过压力检测(压力传感器)将数据传送给运算处理系统，系统发出水泵加速或减速指令，使之满足压力要求，如图1所示。一台泵全速运行不能满足压力要求时，自动投入第2号、第3号水泵;反之逐一停下第2号、第3号水泵。总之，让管网达到恒压的目的。

　　图1 恒压供水原理图

　　3 系统电路设计

　　系统主要由一台西门子S7-200可编程控制 器、一台惠丰F1500-G变频器、压力传感器、接触器、自动开关、热继电器、3台水泵等构成。系统主回路采用一拖多方式,如图2所示，合上空气开关后，当交流接触器Q0.0、Q0.1、Q0.2闭合时，水泵为变频运行;当交流接触器Q0.3、Q0.4、Q0.5闭合时,水泵为工频运行。3个热继电器KH1、KH2、KH3对三台电机进行保护,避免电机过载时过热烧毁。

　　图2 系统主回路图

　　4 PLC控制程序设计

　　PLC和变频器是本系统的核心部分,系统稳 定运行的关键取决于PLC程序的合理性和可行性以及变频器参数的设定。

　　4.1 PLC程序流程

　　本系统采用手动和自动两种工作方式，手动运行方式主要为检修和故障时使用，可根据需要，通过开关按钮控制三个泵工频运行;自动运行方式为系统日常运行方式，合上自动开关，系统启动时，单泵变频运行。根据压力传感器反馈的信号，通过PID运算处理，变频器发出变频信号，当变频泵运行频率达到设定的上限频率,该泵转为工频运行同时增加一台水泵变频运行;当变频泵运行频率达到设定的下限频率,减少一台工频泵运行。

　　图3 程序流程图

　　同时，通过泵号管理子程序，当系统自动运行一天时，泵号自动切换，每台水泵工作情况基本相同，可使系统免维护。程序流程如图3所示。

　　4.2 PLC程序设计

　　本系统PLC控制程序由主程序和6个子程序组成，程序设计采用梯形图设计方法，直观并便于调试和维护。由于供水系统是一个较大但无法突变的系统，设计上采取查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊PID参数控制。PLC输入输出地址如表1所示、程序地址分配如表2所示，实现主程序如图4。

　　4.3 变频器参数设定

　　变频器变频运行，水泵转速过低时，水泵全扬程小于实际扬程，容易形成“空转”现象，所以变频下限设为20Hz;水泵高速运行达额定功率(50Hz)时，变频器V/F补偿功能，往往使水泵实际转速略高于工频运行转速，考虑到实际情况将变频上限设定为49Hz。

　　另外，变频器自带欠压保护、过载保护等功能，当水泵出现故障时可及发出警告，便于维护。

　　4.4 PID模糊控制

　　模糊控制技术是克服了经典控制理论依靠系统数字模型的缺点，是一种基于语言规则和模糊推理的高级控制策略。本系统利用西门子S7-200扩展模拟量处理混合模块EM235完成对水压信号的采集和对变频器的控制，PLC接收管网中的压力值，与给定值进行比较，计算偏差e及偏差变化Δe值，乘以相应的量化因子，取整后变换成模糊变量E和ΔE。得到控制量增量Δu然后乘以比例因子，变为实际控制量论域值Δu(k)，从而计算出总的控制量 u(k)=u(k-1)+Δu(k)。该值送入PLC的输出寄存器，经处理后变为0∽5V的电压信号送给变频器，改变电机转速达到控制水压的目的。

　　图4 恒压供水系统主程序

　　4.5 试验情况

　　本系统于2008年7月11日至24日进行了2周的实地测试，第一周系统采用手动运行方式，手动调节控制水泵投入使用;第2周采用自动运行方式，变频调速方式控制水泵投入使用。测得数据表明本系统节能效果明显，如表3。

　　4 结语

　　由西门子S7-200系列PLC、惠丰F1500-G变频器和压力传感器等组成的恒压供水系统，充分发挥了PLC内置的PID运算模块，自动调节变频器输出频率、投入使用泵数，达到恒压供水的目的;通过泵号管理程序，实现泵号自动切换，使每台水泵工作状况基本相同，提高设备利用率并减少维修费用;同时通过变频器自带保护功能可轻松实现系统故障诊断。实际运行情况证明了本系统具有可靠性高、自动化程度高、便于维护和高节能性等特点，具有很大的应用价值。