摘要：介紹采用PLC進行邏輯控制，用變頻器進行壓力調節，自動控制水泵投入的臺數和電機轉速，在保持恒壓的狀況下，達到控制流量的目的。 關鍵詞：PLC；變頻器；供水系統 Abstract：A water supply system with constant pressure was introduced to which used PLC to process the logic control and employed inverter to adjust water pressure. It could automatically control the number of water pump and speed of A.C motor. Key words：inverter; water supply system 1、 概述 PLC自問世以來，發展異常迅猛。時至今日已擁有門類齊全的各種功能模塊和強大的網絡通訊能力，其應用范圍可以覆蓋現代工業的各個領域，滿足各類受控對象的不同控制要求。變頻調速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調速驅動技術，它以其獨特的控制性被廣泛應用在速度控制領域。將PLC與變頻器結合可大大優化傳統的供水系統。 傳統的供不系統，大體有兩種：一種是采用高位水箱，另一種是采用恒速泵打水。前者造價較高，投資成本大。后者使泵滿負荷運轉，無法調節水量，因些浪費電能。以上兩種方式還有著共同的缺點，就是管道中水壓不穩，時高時低。 如今，供水系統已越來越多地采用變頻恒壓供水。例如，某化工廠的廢水處理采用循環系統，將生產車間的廢水收集至廢水池，經一系列物理、化學處理后，回送至車間使用。該控制系統主要由兩部分組成，即水處理系統和自動恒壓供水系統。自動恒壓供水系統可根據生產車間瞬時變化的用水量，以及與其對應的壓力兩種參數，通過PLC和變頻器自動調節水泵的轉數及臺數，來改變水泵出口的壓力和流量，使車間的用水壓力保持恒定值。 2、 系統構成 供水系統如圖1所示。P1、P2為加壓泵，用于向車間加壓供水，F1、F2為手動閥門，F3、F4為止回閥。正常供水時，F1、F2為開啟狀態，只有在檢修時才關閉。蓄水池內設有液位控制，當蓄水池內水位過低，它會向PLC發送信號使系統停機，以防水泵抽空。該系統設有選擇開關，可選擇系統在自動和手動狀態下工作。當選擇手動狀態時，可分別通過按鈕控制兩臺泵單獨在工頻下運行與停止，這主要用于定期檢修臨時供水。當選擇自動狀態時，可實現恒壓變量供水。 3、 工作原理 系統工作原理如圖2所示。PLC首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵，此時安裝在管網上的傳感器將實測的管網壓力反饋給變頻器，與預先通過變頻大面板設定的給定壓力值進行比較，通過變頻器內部PID運算，調節變頻器輸出頻率。 具體地說，在某一壓力下，當用水量增大時，管路壓力下降，產生偏差，該信號被送入控制器進行處理，控制器產生一定的電信號控制變頻器升頻，水泵轉速升高，供水增加，壓力恢復。反之，用水量減少時，工作原理同上所述。由于整個過程壓力偏差較小，調節時間較短，系統表現為恒壓，實際上，這是一個動態高速過程。 在用水量較大時，變頻器輸出頻率接近工頻，而管網壓力仍達不到壓力設定值，PLC將當前工作的變頻切換到工頻下工作，并關斷變頻器，再將變頻器切換到另一臺泵，由變頻器軟啟動該泵，實現一臺工頻一臺變頻雙泵供水。隨著用水量減少，變頻器輸出頻率下降，當降到頻率下限，而壓力仍能達壓力設定值時，PLC將工頻工作泵切除，只由剩下的單泵變頻供水。系統無論單泵變頻工作，還是雙泵一臺工頻一臺變耨工作，始終控制管網壓力與給定壓力值保持一致，實現恒壓供水。 水泵切換程序如圖3所示，是根據設定的壓力與壓力傳感器測定的現場壓力信號之差△P來控制的。當△P>0時，增加輸出電流的大小，提高變頻器的輸出頻率，從而使變頻泵轉速加快，實際水壓得以提高；當△P<0時，則變頻泵轉速降低，實際水壓減少，△P減少。經過多次調整，直至△P=0。由此，實際壓力在設定壓力附近波動，保證壓力恒定。如果實際壓力太小，某臺調速泵調整到最大供水量仍不足以使△P=0，則該臺變頻泵切換至工頻，而增加下一臺泵為變頻工作；，如果實際壓力過大，本臺調速泵調整到最小供水量仍不足使△P=0，則關閉上次轉換成工頻的水泵，再進行調整。這樣每臺泵在工頻和變頻之間切換，做到先開先停，后開后停，即所謂的循環調頻。各泵均衡運行，合理利用資源，延長泵的使用壽命，減少維護量和維護費用。 4、 系統設計 4.1 變頻器硬件設計 變頻器選用日本三菱變頻器FR-E540-4K產品，適配電機4kW。該變頻器基本配置中帶有PID功能，通過變頻器面板設定一個給定頻率作為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號（0-10V）接至變頻器的輔助輸入端作為壓力反饋，變頻器根據壓力給定和實測壓力，調節輸出頻率，改變水泵轉速，控制管網壓力保持在給定壓力值上。 4.2 PLC硬件設計 PLC選用日本三菱公司的FXos-14MR產品。加壓泵P1、P2可變頻工作，也可工頻工作，共四個工況，需PLC的四個輸出信號控制。變頻器的的與關斷由PLC的一個輸出信號控制，蓄水池水位過低及聲響報警分別占用PLC一個輸入點和一個輸出點，加壓泵P1、P2的過載信號進PLC一個輸入點，有緊急情況和發生供電相序故障等，需要緊急停車時，系統設有一個急停按鈕，占用PLC一個輸入點，以控制整個系統全線停車。系統分自動和手動工作方式，由一個選擇開關K控制，它連接PLC一個輸入點。 該控制系統中，安裝在管網上的壓力傳感器將0-0.4MPa范圍的壓力對應轉換成0-10V電信號，反饋給變頻器，作為壓力反饋。該傳感器可靠性好，還可設定水壓的上、下壓力值。它們分別設在給定壓力值上下兩側與給定壓力略有偏差處。當管網壓力處于上、下限位置，傳感器分別輸出開關信號進PLC兩個輸入點，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起，通過PLC控制泵的變頻與工頻切換以及控制工頻工作泵的切除。 系統所需的輸入/輸出點數量共為14個點，FXos-14MR PLC共有8個輸入點，6個輸出點，能夠滿足系統的控制要求。FX系列PLC具有搞干擾能力強，可靠性高等特點，可長期在惡劣的工業環境下工作。 4.3 系統參數的確定 該供水系統的用水量變化較大，要求系統具有快速反應能力及良好的穩定性。因此在確定PID參數時要兼顧系統的穩固性和靈敏度，P參數盡可能大，以保證系統有良好的穩定性，在集中供水時保證系統壓力在設計要求的恒壓范圍內；I、D參數的選取應保證系統具有良好的靈敏度和搞干擾性。經過反復試驗得出各參數的取值，P：60-80；I：10-15；D：1-3。 變頻到工頻的切換采用時間原則，即水泵電機變頻工作到額定的轉速后，撤銷變頻，自由減速一定時間，待轉速略有降低后立即投入工頻工作。時間的長短要使工頻接入時其啟動電流在額定電流的150%內，而且保證電機與變頻器連接的接觸器安全斷開。 5、 應用效果 該系統于2001年7月正式投入運行，運行結果表明該系統有以下優點： ① 節能通過調整頻率來改變泵的轉速，使泵處于最佳運行狀態，實現節能約35%。 ② 延長電動機的使用壽命 由于電動機的啟動電流為額定電流的5-7倍，沖擊轉矩很大。變頻啟動是一種軟啟動方式，可避免對電機的機械沖擊，且保護了管路系統。 ③ 有可靠的保護措施 高可靠性是PLC最突出的特點之一。由于變頻器自身設置過流、過壓、欠壓保護，消除了電機因過載或單相運行而燒壞電機的現象，確保了安全生產。 ④ 減少設備的磨損 由于電動機的轉速一般都降至額定的轉速以下，水泵電機工作電流下降，電機溫升明顯下降，使泵及管路的磨損程度大大減少。 ⑤ 提高了工作效率 系統能自動控制泵的啟停，不需專人啟動泵及調節閥門開度。因而工作效率大為提高，節約了人力資源成本。