萬志明

引言：隨著人們對生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網(wǎng)絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。PLC的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術以及PLC控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進水供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

一、基本原理、結(jié)構(gòu)組成和設計的總體方案

（一）變頻恒壓控制

供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水。

在系統(tǒng)運行過程中，出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。

如果實際供水壓力低于設定壓力，變頻器將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過變頻器轉(zhuǎn)換PID計算變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設定壓力相等。

（二）PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成總體方案

1、供水系統(tǒng)總體組成

泵站基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)共有兩臺水泵，兩臺水泵分別由M1、M2電動機拖動，由KM1、KM2、KM3接觸器控制。系統(tǒng)采用了S7-300型PLC（cpu 313c，16個輸入點，16個輸出點）、三棱變頻器FR-A740、壓力傳感器、浮子式液位開關及其他控制設備。供水系統(tǒng)壓力傳感器裝于管網(wǎng)出口，儲水池水位監(jiān)測浮子液位開關傳感器裝于儲水池頂部。

系統(tǒng)分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：

（1）執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一兩臺水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。1號泵可工頻運行，也可變頻運行；2號泵只變頻運行。由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。

（2）信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，輸入變頻器；水池水位信號反映儲水池的高水位情況，水位過高時發(fā)出報警。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。

（3）控制機構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括PLC控制器、變頻器和電控設備三個部分。PLC控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，直接對變頻器運行情況、電網(wǎng)過電壓等信息進行采集；對來變頻器數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)（即水泵機組）進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤水壓傳感器送來的模擬量信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。

2、控制流程

首先啟動1號水泵電機工作在調(diào)速狀態(tài)。當變頻器運行頻率到達上限時，并穩(wěn)定運行后，若此時管網(wǎng)壓力低于水壓設定值，則增加2號水泵。在PLC的邏輯控制下將1號水泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1號水泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2號水泵電機連接，使2號水泵電機工作在調(diào)速狀態(tài)。當供水壓力大于設定值時，則需進入減泵過程。此時變頻器輸出頻率降低，水泵電機速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機。如果此時兩臺水泵均在運行，則減2號水泵，并使1號水泵電機工作在調(diào)速狀態(tài)。否則1號水泵停機。如果管網(wǎng)壓力仍大于設定值，則停機。

二、硬件系統(tǒng)設計

（一）主電路

主電路由空氣開關QF控制；變頻器電源由斷路器KM0控制；交流接觸器KM1、KM3控制1號泵、2號泵變頻運行，KM2控制1號泵工頻運行，F(xiàn)R1、FR2分別為兩臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；FU為變頻器控制電源的熔斷器。

（二）控制電路主要功能

1、手動控制，當對水泵進行安裝檢修調(diào)試或壓力傳感器等不能正常工作時，可用手動控制方式控制水泵的起停。

2、自動控制，在系統(tǒng)正常時，該控制方式能根據(jù)用水量的變化，自動完成兩臺水泵的軟起動、停止、切換的全部操作。

3、水位保護，為防止在用戶水量很小時（例如晚間），蓄水池內(nèi)的水位過高而溢出水池，系統(tǒng)通過安裝在蓄水池上部的浮子式液位開關液位檢測裝置，將蓄水池高水位信號傳遞給PLC控制，發(fā)出聲光報警信號。

4、過載保護，當變頻器過載時，變頻器自動停止輸出，以保護變頻器及水泵，并發(fā)出停止輸出信號至PLC控制，發(fā)出報警信號。

5、過電壓保護，當電網(wǎng)出現(xiàn)電壓過高，裝設有主電路上的過電壓保護裝置（型號：DJ-131）輸出過壓信號至PLC控制，PLC發(fā)出輸出停止信號跳電源斷路器，以保護變頻器及水泵。

三、PLC程序設計

（一）故障報警

作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、儲水池水位過高造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，系統(tǒng)判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。

當電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時，過電壓繼電器常開接點閉合，將信號出時輸出到PLC及信號控制回路，信號燈亮發(fā)出報警；當220V AC/24V DC壓變模塊C1出現(xiàn)斷線故障時，壓變模塊C1常開接點斷開，信號燈靈。

PLC控制根據(jù)輸入點信號I0.5過電壓繼電器判斷主電源是否過壓、I0.7變頻器工作狀態(tài)是否正常、I1.4變頻器運行是否過載，確定是否投入電源斷路器，以保護變頻器及水泵，并根據(jù)故障相應報警。

四、總結(jié)

本系統(tǒng)中，PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機等設備的控制任務。PLC編程軟件采用模塊化的程序設計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護。系統(tǒng)利用對PLC軟件的設計，實現(xiàn)變頻器的故障診斷和電機的控制。實現(xiàn)恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，不要因為壓力的波動造成供水的障礙；另一方面系統(tǒng)實現(xiàn)聲、光報警，保障供水的可靠性和安全性，保障設備的安全。

（作者單位：南昌市安義縣城市防洪工程管理站）