马月举
安徽海龙建筑工业有限公司，230601
摘要：为了提高供水质量,保证充足的水量供应和稳定的水压,采用多台水泵构成恒压供水控制系统的应用场合越来越多,如在大型商场、宾馆及城市化小区等地方。另外,随着安全意识的增强,国家在对各种建筑物的规划及设计中,要求供水系统有消防控制功能,而消防用的水压与生活供水的压力不同,要求在出现火情时增大水压灭火。因此开发可靠性高,控制性能好的基于PLC变频恒压供水自动控制系统具有现实应用价值。
关键词：PLC；变频恒压供水自动控制系统；软硬件；
中图分类号：TU821文献标识码：A文章编号：
导言：
结合笔者多年的研究经验，本文首先分析基于PLC的变频恒压供水自动控制系统的控制原理及其功能，并探讨该系统的硬、软件内容，最后提出基于PLC的变频恒压供水系统自动控制技术的实践应用。总之，采用变频调速及PLC控制技术后，使系统具有节能、工作可靠、自动控制程度高、经济易配置等优点，大幅提高了供水的可靠性、稳定性和经济效益。
1 研究基于PLC变频恒压供水自动控制系统的概述
可编程逻辑控制器（PLC）及其网络是现代工业自动化的支柱之一，由于近年来PLC的数据运算处理、图形显示、联网通信功能得到了很大的加强，使得PLC得以向过程控制渗透和发展。过程控制通常是指工业生产中连续的或按一定周期进行的生产过程自动控制。在过程控制领域，PID是最主要的调节器之一，其原理简单、适用性和鲁棒性强，最突出的特点是它不依赖于对象精确的数学模型，因此可以解决工业过程精确建模时的困难。而变频恒压供水系统存在如下不足：（1）山于供水系统出口压力与实际用水需求存在较大的滞后性，供水系统存在较大的周期性压力波动。（2）变频范围只有在离心泵的特性曲线最佳工作范围内，也就是下调频率10%-30%才能显示出其最大的节能效益，如再往下调频率，就会出现水泵运转而不出水的情况，即超出了离心泵的极限工作范围。（3）在深夜用水量很小的时候，水泵在变频器控制下较长时间内低频运转对水泵机械工作不利，同时耗能增加，约为额定功率的25%。针对上述问题，以PLC为核心，采用模糊控制技术和压力补偿策略实现的变频恒压供水控制系统较好地解决了上述问题。
2 基于PLC的变频恒压供水自动控制系统的控制原理及其功能
变频恒压供水系统的基本工作原理主要是该系统依附现代化计算机技术基础辅助建立。相较于传统的机械恒压控制系统，变频恒压供水系统更加的便捷科学化，其控制设备为闭环控制系统，在日常运行时，控制设备只需要对用户所需压力进行采样作业，并与预期值进行比较处理，接着再利用差值控制变频泵的速度。此时设备完全可以实现自动恒压，对于定量泵的开启与停止有很好的把控作用。基于以上优势，该系统在运行过程中更能达到节水节能，高质高效，为相关企业的经济效益维护打好一定的基础。
2.1 控制原理
该系统由多台水泵机组成（根据需要）、一台泵类专用变频器、一台可编程控制器，再家加上电磁阀、压力传感器等组成，水泵机组中，根据需要可以选取多种流量的水泵，以满足不同时段的需要。PLC根据输入量与设定量的差及其变化率，通过模糊控制器的处理，输出模拟信号至变频调速器，变频调速器控制水泵的转数来调节管道内的实际压力值趋向于设定压力值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，系统通过计算判定目前是否已达到设定压力，决定是否增加(投入)或减少(撤出)水泵。采用变频器循环工作方式，多台电机均可设置在变频方式下工作。当变频器工作在50Hz而管道压力仍低于设定压力的下限时，PLC便自动将该泵切换到工频运行，同时自动低速启动第一台水泵，控制其变频运行，直到达到设定压力；当变频器工作30Hz管道压力仍处于高限时，一方面PLC自动控制停掉工频运行电机；另一方面，将适当提升变频器工作频率，以保证压力的稳定，然后进入正常调整状态。当只有一台电机运行且处于变频方式而水压仍处于超限时，则切换到小流量水泵进行变频运行(通常称为夜间模式)。在变频压频切换时，对设定的压力值自动作适当调整，以避免在变频压频之间频繁切换。另外，也可通过比例阀进行管道压力调整，让电机工作于高效范围，同时减小管道压力波动。系统硬件包括以下几个部分：PLC处理器、基于Device Net的设备网、Flex I/O模块、主回路、控制器回路、变频器及操作终端等。系统原理图如下图1所示。
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2.2 系统功能
该系统由于是变频器和PLC联合控制，因此它主要具有如下几方面的功能：1）根据管网压力自动调控系统中的水泵工作，保持管网压力稳定；2）通过触摸屏手动控制系统运行，以及查看系统运行的各项技术参数和设备运行状态；3）自动切换运行的水泵组合，避免个别水泵持续运行的时间过长，延长水泵的使用寿命；4）工频电源和变频电源互锁，防止两种方式同时连接造成变频器短路故障；5）系统中的设备都具备过电流保护、过热保护、断电保护、缺水保护的功能。基于PLC的变频恒压供水系统由PLC控制器、变频器、压力传感器、液位传感器、软启动器和触摸屏组成。系统结构图如图1所示。压力传感器安装在供水管网的主水管上，将检测到的压力信号传输给PLC控制器，PLC控制器将当前的水压与预先设置的水压进行对比，对变频器输出调控信号，变频器根据PLC发来的控制信号改变输出频率，从而改变水泵电动机的转速，水泵的出水量随转速改变，使管网的水压得到相应的调整，保证了供水系统管网水压的稳定性。
3 基于PLC的变频恒压供水自动控制系统的分析
3.1 硬件系统
该系统的硬件主要包括主电路和控制电路。
3.1.1主电路。图2为一级泵站主电路框图。图中采用了一台三菱PLC加ABB变频器作为核心部件。采用了某断路器及某交流接触器作为主要电气元件。
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二级泵站的主电路框图与图一基本相同，所不同的是水泵与变频器的功率不同，一级泵站的水泵机组和变频器的功率都为18.5kW，而二级泵站的水泵机组和变频器的功率都为30kW。
3.1.2控制电路。该系统的控制电路采用三菱PLC作为控制核心，它主要包括一级泵站水泵机组控制电路和二级泵站水泵机组控制电路。
3.1.1.1一级泵站水泵机组控制电路。一级泵站所用的PLC为FX2—24MR，其外部端子接线图如图3所示。图中，“水泵选择”开关的两个端子分别接PLC输入端子X0、X1。1#水泵与2#水泵的起动开关分别连接X7、X10。ABB变频器故障信号通过X11输入，其故障通过Y2和Y3的输出驱动电铃D1和指示灯D2进行声、光报警。Y0、Y1连接的KM1、KM2分别为1#水泵与2#水泵主电路中交流接触器的线圈，R取150Ω、1/4W，C取0.01μF、400V。
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3.1.1.2二级泵站水泵机组控制电路。二级泵站水泵机组控制电路PLC外部端子接线图如图4所示。控制核心为一台三菱的FX2系列基本单元FX2-24MR。图中D1、D2为变频器故障的声、光报警器。D3、D4为清水池缺水声、光报警器。PLC输入端子X0、X1分别接出水管处远传压力表。KM1、KM2分别为主电路中控制1#水泵与2#水泵工作的交流接触器线圈。KM3为控制排除管道内空气的电动阀门工作的交流接触器线圈。
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3.2 软件系统
3.2.1变频器参数。该系统采用的ABB变频器是一种高功能静音式变频器。一级泵站所用的变频器型号为IPF-18.5。二级泵站所用的变频器型号为IPF-30。该系统所用变频器参数是根据系统的控制参数来设定的。系统的控制参数：一级泵站清水池的低水位设为1.5米，控制水位的高度设为2.6米，高水位设为2.7米。二级泵站扬水管的低水压值设为0.3MPa，恒定水压值设为0.45MPa，高水压值设为0.5MPa。一级泵站变频器的上限频率为49Hz，下限频率为40Hz，1速频率为42.5Hz，偏置频率为39Hz，增益频率为48Hz。二级泵站变频器的上限频率为47Hz，下限频率为38Hz，1速频率为23Hz，偏置频率为22Hz，增益频率为50Hz。
3.2.2PLC控制程序。一级泵站工频自动运行仍选择1#泵工作为例。当起动1#泵时，X7接通，且当清水池处于低限水位时，X5接通，1#泵进入工频自动模式。当系统检测清水池水位为高限位时，水泵自动停机，并等待清水池低限水位的再次到来，从而重新起动水泵运行。当清水池的水位处于低限水位时，水泵继续工作，一直工作到清水池水位达高限水位时方才停机。二级泵站PLC自动控制程序包括变频自动运行和工频自动运行两部分，二级泵站工频自动运行程序不要考虑变频器的工作情况，因此它的程序比变频自动运行程序框图简单得多，在此不作介绍。
4 基于PLC的变频恒压供水系统自动控制技术的实践应用
4.1如果用水量相对较少，变量泵的转速会自动下降到设定的频率，此时控制器会自动停止定量泵。这时需要根据管网的压力来转换一下变量泵的转速，从而保持管网压力的稳定性。这时水泵的启动都由变频器进行控制，此类条件促使机组自动形成循环的软启动，保证每台水泵的启动频率都能从设定的最小频率渐渐提升，从而为变频恒压供水系统自动控制技术的顺利开展奠定良好的基础。
4.2如果在实现自动控制技术时，外来管网的压力逐渐高于设定压力，那么各泵工作都会被控制器完全停止，紧接着利用外界管网向供水管网供水。
4.3在进行变频恒压供水系统自动控制技术利用时，如果遇到小流量辅助泵的系统，在用水量非常小的情况下，一般系统都是由一台变频泵以低频率来运行维护管网压力，如果管网的压力依旧持续升高，那么此时控制器将会自动停止变频泵，开启小流量辅助泵，利用小容量辅助泵向供水管网供水。后期如果水量加大，可以逐渐的加入变频泵进行自动投入运行，从而在根本上维护管网压力的稳定性。
5 结语
总之，基于PLC的变频恒压供水自动控制系统具有一定的技术性和稳定性。虽然在技术行列中依旧存在一定的缺陷，但是其在工业，民用供水方面的运用具有一定的积极意义。随着我国现代化工业发展以及大量用户用水的需求，该系统将有更广阔的市场前景。作为供水工程的相关人员，在利用变频恒压供水系统时，除了具备专业的技术水平以外，还要积极掌握系统中的结构性能，改善系统中所存在的不足，为我国的供水工程发展做出一定的贡献。
参考文献：
[1]程子华.PLC原理与编程实例分析[M].2017.
[2]周志敏,周纪海,纪爱华.变频调速系统[M].2018.
[3]霍大勇,马林.基于CPS-20B1智能控制器的恒压变频供水系统[J].2016.