赵宁宁
河北白沙烟草有限责任公司 050000
摘要：从我国部分行业中所应用的水泵运行情况看，缺乏足够的可靠性，同时在自动化方面也难以满足实际需求，整体能源消耗较大。对此，为解决此问题，本文构建并开发出基于PLC与变频器的水泵自动稳压供水控制系统，主要作用原理就是改变水泵性能曲线，进而达到调节水泵流量的目的，最终实现恒压供水，获得一定的节能效果。
关键词：PLC；变频器；供水系统；自动控制；设计方案
引言：
近年来，我国信息技术、计算机控制技术的飞速发展，促使可编程序控制器(PLC)控制广泛应用到各个领域中，逐步取代了继电器控制方式，推动了各领域自动化控制水平。但依然存在一些行业，还在使用人工控制供水系统，通过人为操作控制水泵的开停，导致行业生产自动化管理水平不高，也无法获得足够的经济效益，与此同时，人为操作方式也极大的增加了安全隐患。
一、供水系统改进方案设计
以往采用工频控制方式，在启动时操作非常繁琐，需要反复操作阀门，进而缩短寿命，同时，在起动时，也容易对电网造成较大冲击，导致出现电能资源浪费情况，也极易造成其他电动机受到跳闸的影响停止运行。再加上设备长期处于高速运转状态，磨损情况非常严重，严重影响其使用寿命，因此，采取PLC与变频器改进供水系统。
（一）运用PLC控制
在供水系统中引入PLC，进而使得电气仪表实现联锁控制，在应用过程中，需要结合系统节能、经济性要求，借助变频器的作用，以拖动的方式完成水泵的软起动，同时也有效实施调速，最终达到经济性、合理性、高效性、节能性的目的。该供水系统不仅具备PID闭环调节功能，也可以实现PLC逻辑控制，自动化控制程度明显提升，更好的满足了节能性需求，同时，该系统还可以实现通信监控，整体工作运行非常稳定，该系统被广泛应用，体现了较高价值性。该供水系统主要的控制单元包含了PLC、压力传感器、流量传感器、变频器等，在这些部件作用下，可以使得水管网压力实现自动控制、水泵自动切换、变频起动等功能，极大的提升了设备自动化水平，在很大程度上提高了设备可靠性[1]。
（二）优化后系统运行方式
以往系统一直处于连续的运行状态，弊端较多，对此，本次优化设计了三种不同的运行方式，有手动运行、自动运行、远程控制运行，主要目的就是更好的满足实际需求。其中，手动方式，主要针对的就是一系统发生故障；而自动方式下，不需要人工介入，此时PLC系统会根据现场情况自动控制。如果发生故障，则系统会自动切换到原有系统状态，同时会发出警报；而远程控制，需要通过控制室实现操作，这需要操作人员严格按照规章制度操作。系统中带有错误提示，同时，部分重要环节还有控制闭锁，主要目的就是防止操作人员的误操作造成不良后果。
（三）通讯、自诊断功能
借助上位计算机与PLC之间建立通讯联系，并实时监控系统运行实况，如果发生警报，可以及时通过上位机进行处理。在该供水节电装置中，包含了水泵驱动单元，主要以变频器为主，还有就是PLC系统，这部分主要工作内容就是处理压力、温度等模拟量，同时，会将水泵工作指令及时发出，并处理对应的操作指令。此外，PLC系统还可以实现监控、打印功能。当水泵起动时，可以实现软起动，同时，也可以针对特殊情况发出警报[2]。
二、系统硬件设计
（一）硬件选择
在变频恒压供水控制系统中，PLC是其中的核心，主要工作内容就是采集系统输入信号，合理控制输出单元，与外界交换数据以及实现稳压。本文所研究的系统，选择了德国西门子公司的S7-300型的PLC，同时，选用EM235模拟量扩展模块，主要就是保证管网压力信号可以及时传输给PLC，并向变频器传入对应的控制信号，在该模块中，包含了四个模拟输入(AI) ,一个模拟输出(AO)。
水泵负载的阻转矩与转速的平方呈正相关，表示为TL=TO+KTNL2，To为空载转矩，TL为负载转矩，NL为水泵转速，KT为比例系数。而水泵消耗功率与转速之间也呈正相关，PL=KPNL3。当中PL表示水泵消耗功率，KP是比例系数[3]。
当系统处于低速运行时，其负载转矩较小，所以一般情况下，可以使用专用、节能型的变频器。本文研究的系统，主要选择的是西门子公司的MM440型变频器，该型号变频器，其可以实现低速高转矩输出，整体动态性能较好，在过载能力方面也较强。此外，本次研究使用了远程压力传感器。
（二）电气控制系统
1、主电路图
如图3所示，在该系统的电气主电路中，其中M1表示为水泵电机，由接触器KM1控制水泵电机变频运行，而处于自动工频运行下，则是由接触器KM2负责控制。而水泵电机的过载保护，主要由热继电器FRl负责。在该系统的电气主电路中QSl一QS4主要是电机、变频器与线路的隔离断路器[4]。
在水泵自动变频起动时，PLC控制KMl闭合会与变频器构建出一个主回路。而当PLC控制KM2闭合，并和QS1、FRl构成主回路时，实现了对水泵的工频起动控制操作。以上这两种工作方式，主要是借助PLC程序，结合负载变化进行的自动判断，以变频工频形式切换，所以，并不需要人工介入就可以及时发出指令。如果供水系统发生故障后无法起动自动控制运行时，PLC会传输指令，使得KM3闭合，同时与QS2、FRl组建成主回路，进而实现对水泵手动工频起动控制。
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2、PLC控制电路
如图4所示，是PLC控制电路I/0接线图。该系统有六个开关量输出点：Q0.0是控制水泵变频运行，Q0. 1是工频运行，Q0.2则是手动起动输出点，而Q0.3到Q0.5，依次为控制变频器复位输出点、超水压、欠水压报警输出点。有七个开关量输入点，10.0是控制系统自动运行的起动点，10.1是复位点，而10.2则是停止输入点，从10.3到10.6，依次对应控制水泵起动输入点、停止输入点、工频输入点、消除警报输入点。
3、电气布置图
现场PLC的布置、接线图如图3所示。由于热继电器的出线端需要和电动机连接，为了方便出现，热继电器最好放置在电器板下层。而其进线端需要和接触器进行连接，此种设计方式便于接线，走线最短并且有利于散热。需要注意的是， 要控制好PLC与变频器之间距离，如若太近，变频器会在实际运行过程中对PLC造成电磁干扰，若是距离太远，外界电磁会干扰到PLC与变频器的通讯信号。
三、系统软件设计
（一）主程序、初始化程序
稳压控制系统的主程序具有较多的功能，比如，泵控制信号的生成，信号的综合及报警信号的处理等。而在故障诊断、报警输出部分，本次设计了变频器短路、过载等保护功能。一旦出现变频器驱动下的水泵电机发生了短路故障、过载故障等情况，则变频器会自动切断供电电路，同时，会采取相应的保护状态，并及时发出报警信号。
（二）其他程序
稳压控制系统的软件部分，对于其他程序设计，主要涵盖了报警程序、定时程序、自诊断程序以及监控程序等。
（三）西门子S7-300 PLC的PID控制功能
S7-300可以实现PID控制，PID控制器会结合设定值与被控对象所反馈出的差值，利用PID算法计算出控制器的输出量，进而对机构进行控制，从而使得被控对象进行变化。由于PID控制属于一种负反馈闭环控制方式，所以，能够对系统闭环内的因素造成的扰动进行抑制。
结束语：
综上所述，通过本文对PLC与变频器下的水泵自动稳压供水控制系统分析，可知，变频调速控制技术的应用，可以促使供水系统更好的运行，不仅可以提高供水质量，同时，也可以起到一定的经济性作用。在变频调速技术不断发展下，需要操作人员、维护人员具备较高的技术能力，这样才可以更好的发挥该技术优势。
参考文献:
[1]喻支乾. 基于组态王、PLC及变频器在恒压供水控制系统的设计[D].山东大学,2018,45（09）：100-101.
[2]柳栋梁. 基于PLC的无塔恒压供水控制系统的研究与开发[D].兰州理工大学,2019,67（12）：189-190.
[3]于子博.基于PLC与变频器的自动化生产线供水控制系统的开发[J].黑龙江科技信息,2018,67(10):348-349.
[4]吴晓鸣.基于PLC与变频器的自动化生产线供水控制系统的开发[J].科技创新导报,2019.78(29):150-151.