變頻器與PLC在恒壓供水中的應用
摘 要：本文介紹基于變頻器與PLC的恒壓供水系統(tǒng)的構成及工作原理。系統(tǒng)采用變頻調速方式，自動調節(jié)水泵電機轉速，保持供水壓力的恒定，PLC控制投入工作水泵的臺數(shù)，在用水量的高峰及低谷都能滿足系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)具有節(jié)能、工作可靠、自動化程度高等優(yōu)點，提高了供水質量。
1. 引言
隨著變頻調速技術和可編程控制器的飛速發(fā)展，以及其應用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領域得到廣泛使用，在其它領域（如民用和家庭自動化）的應用也得到了迅速的發(fā)展。
由于變頻調速技術和可編程程序控制器的應用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。
2、系統(tǒng)結構
變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖一；它主要有PLC、變頻器、壓力變送器、液位傳感器、動力及控制線路以及泵組組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器，把出口壓力信號變成4～20mA標準信號送入變頻器內置的PID調節(jié)器，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得到4～20mA參數(shù)，4～20mA信號送至變頻器。控制系統(tǒng)由變頻器控制水泵的轉速以調節(jié)供水量，根據(jù)用水量的不同，變頻器調節(jié)水泵的轉速不同、工作頻率也就不同，在變頻器設置中設定一個上限頻率和下限頻率檢測，當用水量大時，變頻器迅速上升到上限頻率，此時，變頻器輸出一個開關信號給PLC；當用水處于低峰時，變頻器輸出達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關信號給PLC；兩個信號不會同時產(chǎn)生。當產(chǎn)生任何一個信號時，信號即反饋給PLC，PLC通過設定的內部程序驅動I/O端口開關量的輸出來實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停、變頻與工頻的切換。通過調整投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。
3、工作原理
該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式。手動方式時，按下按鈕啟動和停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#~3#泵的啟停，該方式主要供設備調試、自動有故障和檢修時使用。自動運行時，首先由1#水泵變頻運行，變頻器輸出頻率從0HZ上升，同時PID調節(jié)器把接收的信號與給定壓力比較運算后送給變頻器控制。如壓力不夠，則頻率上升到50HZ，變頻器輸出一個上限頻率到達信號給PLC，PLC接收到信號后經(jīng)延時，1＃泵變頻迅速切換為工頻，2＃泵變頻啟動，若壓力仍達不到設定壓力，則2＃泵由變頻切換成工頻，3＃泵變頻啟動；如用水量減少，PLC控制從先起的泵開始切除，同時根據(jù)PID調節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行，始終保持管網(wǎng)壓力。
若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復正常后，系統(tǒng)自動恢復到初始狀態(tài)開始運行。變頻自動功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。
4、變頻器
變頻器采用艾默生電氣公司生產(chǎn)的EV2000系列變頻器。EV2000采用獨特的控制方式，實現(xiàn)了高轉矩、高精度、寬調速驅動，滿足通用變頻器高性能化的要求，具有超出同類產(chǎn)品的防跳閘功能和適應惡劣電網(wǎng)溫度、濕度和粉塵能力，極大提高產(chǎn)品可靠性。
EV2000具有實用的PI(圖二)、簡易PLC、靈活的輸入輸出端子、脈沖頻率給定、停電和停機參數(shù)存儲選擇。頻率給定通道與運行命令通道捆綁，零頻回差控制等，為設備提供集成度一體化解決方案，對降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性具有極大價值。PI參數(shù)的設定將直接反饋變頻器控制中的響應速度和精度，零頻運行閾值和零頻回差的設定可以避免變頻器在低頻率輸出水泵低速運行（水泵在變頻器輸出15HZ以下時的效率很低），使變頻器低于某一頻率時自動停止輸出，即不影響恒壓供水的要求，又把效率提至最高。
5、PLC控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)采用三菱FX-1s30MR，I/O點數(shù)為30點，繼電器輸出，PLC編程采用FX—20P—E手持式編程器或三菱PLC專用編程軟件SWOPC—FX/WIN—C，PLC可編程程序控制器及軟件提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程、在線連接和調試。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用可編程控制器的開關量輸入輸出來控制電機的起停、自動投入、定期切換，供水泵的變頻及故障的報警等，而電機的轉速、設定壓力、頻率、電流、電壓等模擬信號量及實際運行參數(shù)則由變頻器及其內置PID來顯示和控制。
三菱PLC的編程指令簡單易懂且程序設計靈活，本系統(tǒng)PLC主體程序用STL指令與狀態(tài)繼電器S，STL指令可以編制生產(chǎn)流程和工作與順序圖非常接近的程序，順序功能圖中的每一步與其他步是完全隔離開的，根據(jù)控制要求將這些程序段按一定的順序組合在一起，就可以成功地完成控制任務。FX系列PLC的狀態(tài)繼電器編制順序控制程序時一般與STL指令一起使用。
泵組切換示意圖如圖三，工作條件滿足，開始工作時，1#泵變頻啟動，泵的轉速隨變頻器輸出頻率的上升而逐漸升高，如變頻器的頻率達到50HZ而此時水壓還未達到設定值，變頻器檢測到上限頻率并輸出一個開關信號給PLC，延時一段時間后，1＃泵迅速切換至工頻運行，同時解除變頻器運行信號，使變頻器頻率降為0HZ，然后2＃泵變頻啟動，若壓力仍未達到，則2＃泵切換至工頻，3＃泵變頻啟動，在運行中始終保持一臺泵變頻運行，當壓力達到設定值時變頻輸出將為0HZ，同時變頻器輸出一個下限頻率信號至PLC，由PLC決定切除1＃工頻泵，此時由一臺工頻泵和一臺變頻泵運行，如果此時壓力達到設定值，變頻器的輸出為0HZ，同時輸出下限信號給PLC，PLC解除2＃工頻泵，只由3＃泵變頻運行來維持管網(wǎng)壓力。當壓力下降，變頻器頻率升至50HZ輸出信號，延時后3＃泵切換為工頻，1＃泵變頻啟動，若壓力仍不滿足則1＃變切換為1＃工，2＃泵變頻運行，如果壓力仍達不到，2＃變切換為2＃工，啟動3＃變，三臺泵同時工作以保證供水要求。
這樣的切換過程有效地減少泵的頻繁起停，同時在實際管網(wǎng)對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效的避免了高樓用戶短時間停水的情況發(fā)生。
以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常時 采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節(jié)。這種切換的方式理論上要比直接切換工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁起停，從而減少設備的使用壽命。而在該系統(tǒng)中采用直接停工頻泵的運行方式，同時由變頻器迅速調節(jié)，只要參數(shù)設置合適，即可實現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止了水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時間缺水的現(xiàn)象，提高了供水品質。
6、注意事項
要使系統(tǒng)穩(wěn)定快速準確的運行，應注意一下參數(shù)：
(1) 變頻、工頻切換時間T
切換時間T在PLC程序中設定，設置T時為了確保在加泵時，泵由變頻轉換為工頻過程中，同一臺泵的變頻運行和工頻運行各自對對應的交流接觸器不會同時吸合，而損壞變頻器，同時為了避免工頻啟動時啟動電流大而對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，所以在允許的范圍內時間T必須盡可能小。
(2) 上、下限頻率持續(xù)時間TH和TL
變頻器運行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)以變頻運行的頻率是否達到上限（下限），并保持一定的時間來判斷是否加、減泵，這個判斷時間就是TH（TL）,如果設定值過大，系統(tǒng)就不能迅速的對管網(wǎng)用水量的變化做出反應；如果設定值過小，管網(wǎng)用水量變化時就很可能引起頻繁的加減泵工作。
7、結束語
該系統(tǒng)采用PLC和變頻器結合，系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)了真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)倒泵、變頻運行，保證了各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉啟動平穩(wěn)，消除了啟動大電流沖擊，由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。該設計系統(tǒng)是大型公共社區(qū)如高校、居民小區(qū)等處的性能、價格比較高的優(yōu)選方案。并通過在青島科技大學一期泵房近兩年的使用，運行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，得到了用戶一致好評。