PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用

1 引言
恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水压力不足或短时断水，可能会影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

基于上述情况对某生活区供水系统进行了改造，采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID相结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果。

2 系统结构与工作原理
供水系统由主供水回路、备用回路、储水池及泵房组成，其中泵房装有1#～3#共3台150kW泵机。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网较大，系统需要供水量每小时开2台泵机向管网充压，供水量大时，开3台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。可编程序控制器选择日本松下FP1-C40型，且配有A/D和D/A模块，其原理框图如图1所示。变频器选择FRN1 60G7P-4实现电动机的调速运行。

控制系统主要由PLC、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经PLC的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID运算后，PLC将0～5V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动;PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。

图1 恒压供水系统原理图

3 系统程序设计和PLC的I/O分配
系统程序包括起动子程序和运行子程序，其流程图如图2所示。运行子程序又包括模拟调节子程序(其流程图如图3所示)和电机切换子程序(流程图略)，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序(程序设计略)。PLC的输入、输出端子分配情况如附表所示。

图 2 起动程序流程图


图3 模拟调节流程图

附表 可编程序控制器(C40)部分输入、输出端子分配

4 系统工作过程
加上起动信号(X4)后，此信号被保持，当条件满足(即X2为“1”)时，开始起动程序，此时由PLC控制1# 电机变频运行(此时Y0、Y6、Y7亮)，同时定时器T0开始计时(10s)，若计时完毕X2仍亮，则关闭Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延时1s(延时是为了两方面的原因:一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器;二是让变频带器减速为零，以重新起动另一台电机)。延时完毕，则有1#机投入工频运行，2#机投入变频运行，此时Y1、Y2、Y6、Y7亮，同时定时器T1开始计时(10s)，若计时完毕X2仍未灭，则关闭Y2、Y6，(Y1、Y7仍亮，)T3延时1s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7灭掉后，则整个起动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后起动程序不再发生作用，直到下一次重新起动。在起动过程中，无论几台电机处于运行状态，X2一旦灭掉，则应视为起动结束(Y7灭掉)，转入相应程序。综合整个起动过程，完成3台电机的起动最多需要22s的时间。

运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即X1、X2灭)，则此时变频器处于模拟调节状态(此时相应电机运行信号和Y6亮)。

若达到模拟调节上限值(X1亮)，则定时器T4马上开始定时(5s)。定时过程中监控X1，若X1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4定时完毕，X1仍亮，则起动一低速(Y8亮)，进行多段速调节，同时定时器T5开始定时(3s)，定时完毕。若X1仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速(Y9)，同时定时器T6定时(10s)。定时完毕，若X1仍亮，则关掉Y9，此后X0很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X0亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序。同样，若无论何时，X1灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

若达到模拟调节下限值(X2亮)，则定时器T7马上开始定时(5s)，定时过程中监控X2，若X2又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，X2仍亮，则起动一高速(Y7、Y2)，进行多段速调节，同时定时器T8开始定时(3s)，定时完毕。若X2仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速(Y8、Y9)，同时定时器T9定时(10s)，定时完毕。若X2仍亮，则关掉Y8、Y9，此后X3很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X3亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时，X2灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。此程序动作的条件是:起动结束后无论何时X0亮，一旦条件满足，即由PLC根据电动机的运行状态来决定相应切换哪台电机，切换时只能切换工频运行电机。

若工作状态是1台变频1台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。

若3台电机同时工作，则应由PLC来决定切除哪台工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时(5s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。 图3运行时模拟调节子程序流程图加电机程序，其动作程序是:起动结束后无论何时X2亮，一旦条件满足，立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后(原因同上)，将原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要起动电机的变频开关，完成加电机。

同样，若原有2台电机工频工作，则X2一亮，立即开始加另一台电机(无延时)，(加电机依据是判断计数值，谁小加谁)但加电机完成以后，定时器要开始定时(5s)等待，让变频器调节一段时间，防止连续加电机动作。其过程分为:1# → 2#、1# → 3#、2# → 3#、2# → 1#、3# → 2#、 3# → 1#。

5 结束语
用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。