基于PLC的变频调速恒压供水系统的应用.docx

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基于PLC的变频调速恒压供水系统的应用

基于PLC的变频调速恒压供水系统的应用

张雷雷

南山纺织服饰有限公司

摘要：

随着社会主义市场的经济发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术·控制技术以及通讯技术，设计高性能·高节能·能适应不同领域的恒压供水系统成为必然的趋势。

本论文采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。

本论文的变频恒压供水系统以再国内许多实际的供水控制系统中得到应用，并取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

经实践证明该系统具有高度的可靠性和实时行，极大地提高了供水的质量，并且节省了人力，具有明显的经济效益和社会效益。

关键字：

恒压供水：

变频调速：

PLC：

泵切换

随着电力技术的发展，以变频调速为核心的智能供水系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可以延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除启动和挺及时的水锤效应。

其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

PLC变频恒压供水系统是以PLC为控制核心，由PLC控制器、变频调速器、压力传感器等其他电控设备以及4台水泵组成，如图1.1所示

图1.1变频调速恒压供水控制系统的原理图

其工作过程：

设定一个水压值后，根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号送入PLC，PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内。

当变频器频率到达最或大最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，从而达到恒压供水的目的。

我公司在2009年11月份正式启用了该系统，并从中受益。

本文介绍基于PLC变频调速恒压供水的设计

我公司水处理车间担负了南山纺织服饰有限公司下属单位和附属单位的工业及生活消防用水的任务。

包括4台22KW的工业用水水泵和2台11KW的应急不压水泵。

1.控制要求

1）.水泵能自动变频软启动，四台水泵自动变频软启动，并根据用水量的大小自动调节水泵的台数。

四台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投入，可转换自动或人工手动开·停机。

2）.设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相许保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机功能。

且有设备工作、停机、报警指示。

2.PLC及变频器控制电路

2.1）.供水系统主电路

该系统有四台水泵，如图2.1所示，合上空气开关（QS）后，当交流接触器KM1、KM3、KM5、KM7主触点闭合时，水泵为工频运行；当KM2、KM4、KM6、KM8主触点闭合时，水泵为变频运行。

四个热继电器FR1、FR2、FR3、FR4分别对四台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热损坏。

图2.1恒压供水的主电路

2.2）.供水系统的控制电路

如图2.2所示，Y0、Y7为PLC输出软继电器触点，其中Y0、Y2、Y4、Y6控制变频运行电路；Y1、Y3、Y5、Y7控制工频电路。

SAC为转换开关，实现手动、自动控制切换。

当SAC切在手动位时，通过1#SB24#SB2按钮分别启动四台水泵工频运行；当SAC在自动位时，由PLC控制水泵进行变频或工频状态的启动、切换、停止运行。

图2.2恒压供水系统的控制电路

1KA为缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。

2.3）.缺水保护电路

当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。

如图2.3所示。

利用液位继电器等装置时刻检测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。

水池水位正常时，控制回路电源接通，系统正常工作。

水池缺水或水位不足时，液位继电器1K释放，系统报警、指示灯亮并通过1KA切断系统控制电路和主电路，水泵停止。

水位正常后，液位继电器1K吸合，重新启动系统。

图2.3缺水保护电路

2.4）.缺相相序保护电路

图2.4缺相相序保护电路

水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧坏电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置了缺相相序保护电路，如图2.4所示。

采用缺相相序保护电路继电器KP接在主电路电源进线空气开关之后，三项正常时，KP得电吸合，控制电路中KP的1-2触点吸合，接通PLC控制电路。

反之，缺相或反相时，KP的1-2触点断开，会切断PLC控制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。

2.5）.硬件接线图

图2.5硬件原理图

该系统的硬件连接图即PLC和系统的各个硬件的接线。

由于PLC所输出的信号是数字信号，不能被变频器所识别，所以我们在他们之间加了个模拟量输入输出模块FXON-3A。

其功能：

该模块具有2路模拟量输入（0-10V直流或4-20mA直流）通道和1路模拟量输出通道。

其输入通道数字分辨率为8位，A/D的转换时间为100us,在模拟与数字信号之间采用光电隔离，占用8个I/O点。

2.6）.变频器频率（速度）的设定及PID

1.最高频率：

水泵属于平方率负载，当转速超过额定转速时，转速将按平方规律增加，导致电动机严重过载。

因此，变频器的工作频率是不允许超过额定频率的，其最高频率只能与额定频率相等，即Fmax=Fn=50HZ。

2.上限频率：

一般来说，上限频率以等于额定频率为宜。

但有时也可以预置得略低一些，变频器内部有转差补偿功能，同在50HZ的情况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；变频调速系统在50HZ下运行时，还不如直接在工频下运行，可以减少变频器本身的损失。

因此，将上限频率预置为49HZ或49.5HZ是适宜的。

3.下限频率：

在供水系统中，转速降低，会出现水泵的全扬程小于实际扬程，形成水泵“空转”的现象。

所以，下限频率预置为25-30HZ

4.启动频率:

水泵在启动时，如果从0HZ开始启动，水泵基本没有压力输出，为调节时间，应预置启动频率值为15-20HZ，及设置变频器PID输出值的下限为最大值的30%-40%。

变频器利用PID控制器将被控对象的传感等检测到控制量（反馈信号），将其与目标值（流量、压力等设定值）进行比较，再有PLC控制变频器输出。

如图2.60若有偏差，则通过此功能的控制动作是偏差为零，也就是是反馈量与目标值保持一致，从而达到好好的调速作用。

图2.6PID控制器接线图

2.7PLC在系统中的控制

根据变频恒压供水原理，利用安装在供水管网上的压力传感器，连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将水压信号转换为电信号送入PLC，PLC根据实际水压值与设定水压值进行比较和经PID运算，并将运算结果转换为电信号，输出送到变频器的信号给定端，变频器根据给定信号，调节水泵的电源频率，从而调整水泵的转速，以维持供水管网中水压值在设定的水压范围内。

当变频器频率到达最或大最小时，由PLC控制加泵或减泵实现恒压供水，

PLC在系统中起主导作用是控制交流接触器组近进行工频-交频的切换和水泵工作数量的调整。

如图2.7

系统运行之后，在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0HZ开始上升，此时压力传感器检测压力信号反馈到PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50HZ,延时一定时间后，将1#水泵切换为工频，2#水泵变频交流接触器吸合，变频启动#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，以此类推增加水泵。

如用水量减少，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。

若变频器输出频率低于某一设定值，而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若子一定时间，内压力仍高于设定值，根据先停机的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。

若系统中只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。

当外来管网压力达到设定压力时，则控制其完全停止各泵的工作。

在变频器发生故障时也要不间断供水。

当变频器发生故障时蜂鸣器报警，则PLC发出指令使全部水泵停止工作，然后1#水泵工频运行，经一定演示后根据压力变化情况在使2#泵工频运行。

此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵之间切换。

当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能有蜂鸣器发出报警声。

3.结束语

由于变频恒压供水系统的应用，它取代了传统的水塔、高位水箱或气压罐，不但大大的提高和改善了厂区工业及生活消防供水系统的性能，而且节能环保，具有良好的经济和技术效益。

我公司自2009年11月投入使用以来，未出现过大的技术问题，保障了了公司下属和附属单位的正常可靠的工业用水，为企业的发展提供了强有力的保障。

参考文献：

1.张还.《控制其原理及控制过程》，北京:

中国电力出版社，2008-10

2.岳大为.《变频器应用技术》，北京：

化学工业出版社，2009-6

3.周志敏.《变频器调速系统》，北京：

电子工业出版社，2008-5

4.宫淑贞.《可编程序制器原理与应用》，北京:

人民店有出版社，2004