基于PLC的变频恒压供水系统的研究

摘 要： 本文介绍了基于PLC的变频恒压供水系统的原理、结构以及器件选择，在自动控制模式和手动控制模式下，通过变频调速、水泵机组的增泵切换与减泵切换，实现变频恒压供水，节约能源。

关键词： 变频调速； 恒压供水； 节能

中图分类号： TP272 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）01-0043-02

一、基本原理

变频恒压供水系统通过异步电机的转速控制水泵的出水流量，根据交流电机转速n与供电电源频率f之间的正比关系（1），连续调节供电电源频率即可连续平滑地调节交流电机的同步转速，因此供水系统的变频实质就是异步电机的变频调速。

式中， f为定子工作电源的输入频率， p为磁极对数， n为转子转速， s为转差率。

二、系统设计

变频恒压供水系统由PLC、变频器、水泵机组、压力传感器、低压电器及辅助部件构成，如图1所示。

变频恒压供水系统的控制模式包括自动控制模式和手动控制模式。压力传感器采集主水管网实时水压，变频器根据实时水压和设定水压进行PID调节，PID输出量调节运行频率，通过控制水泵的出水量实现了管网压力的稳定；如果运行频率为上限频率或下线频率，且延迟一定时间（比如1-2分钟）后，PLC进行水泵机组的增减切换。

在自动控制模式下，系统起动后接通变频器。假定增泵切换顺序为l#水泵机组、2#水泵机组、3#水泵机组，减泵切换顺序为3#水泵机组、2#水泵机组、l#水泵机组。l#水泵机组变频调速运行，若实时水压小于设定水压，则运行频率上升；当运行频率达到上限频率且延迟一定时间后，PLC将l#水泵机组切换到工频，同时启动2#水泵机组变频调速运行；同理，PLC可实现2#水泵机组、3#水泵机组间的增泵切换。在第l#、2#水泵工频运行，3#水泵机组变频调速运行的情况下，若实时水压大于设定水压，则运行频率下降；当运行频率达到下限频率且延迟一定时间后，PLC控制3#水泵机组停机，同时将2#水泵机组切换至变频调速运行；同理，PLC实现2#水泵机组、l#水泵机组间的减泵切换。

在系统发生故障的情况下采用手动控制模式。实时水压小于设定水压时，手动将当前水泵机组切换至工频运行，并增加另一水泵机组变频运行。实时水压大于设定水压时，手动切断当前水泵机组的电源，同时将一组工频运行的水泵机组切换为变频调速运行。

（一）控制部分

变频恒压供水系统通过PLC和变频器联合控制，实现管网压力的稳定。

1. PLC

PLC是整个变频恒压供水系统的控制核心，其通过变频器和接触器实现对水泵机组的切换和顺序控制。本系统选用FX2N-32MR型PLC，接线图、I/O分配表如图2、表1所示。

2. 交-直-交变频器

交-直-交变频器通过整流电路将工频交流电转换为直流电，直流电经过平滑滤波后，由逆变器转换为频率可调的交流电，为电机供电。变频器运行频率可在较大范围（0-400Hz）内调节，但实际应用中，其调节范围为20Hz左右-50Hz。本系统选用内置PID的三菱FR-A540系列变频器，其控制接线图如图3所示。

（二）水压检测

压力传感器检测主水管网的实时水压，并将压力信号转换为4～20mA或0～5V的电信号。本系统中采用CY-YZ-1001型绝对压力传感器，量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3DCV。

（三）执行机构

根据系统供水流量大小、扬程高低等选择本系统的水泵机组。为取得较好节能效果，使水泵机组运行于高效区，本系统选用ISG型立式离心泵40-160（I），其参数如表2所示：

三、软件部分

系统软件部分由主程序、自动运行程序、手动运行程序和报警程序等模块。

主程序主要完成系统初始化、运行模式选择、根据检测的实时水压调节运行频率、由运行频率与上限频率、下限频率的关系控制增泵或减泵。主程序流程图如图4所示。

自动运行程序和手动运行程序分别在自动模式和手动模式下，通过开关线圈控制水泵机组的运行、增泵切换顺序、减泵切换顺序。自动运行程序和手动运行程序的总切换顺序功能图如图5所示。

另外，在热继电器断开、单组水泵机组同时接通工频和变频时，系统发出报警，水泵机组停止运行。

四、结语

本系统采用变频调速减小了供水水泵的频繁启动，并使水泵机组高效运行，从而节约能源，减小对电网的冲击。

参考文献：

[1] 龙剑波.PLC在自动供水系统中的应用[J].计算机工程应用技术，2010.6（2）：476-477.

[2] 钱华梅.变频调速恒压和变压供水[J].高职论丛，2009（3）：26-27.

[3] 钟文裕，廖媛敏.变频器在恒压供水系统中的典型应用[J].变频器世界，2010（1）：77-79.

[4] 陈成勇.多泵自动循环切换恒压供水变频调速系统[J].自动化技术与应用，2010.29（1）：114-123.

[5] 王秀丽.恒压变频装置在供水系统的应用[J].内江科技，2010（1）：91.

[6] 李燕.基于PLC控制的变频器恒压供水系统[J].中国高新技术企业，2010（4）：24-25.

[7] 蔡滨，吴禄慎.基于PLC双闭环控制供水系统的研究[J].计算机与现代化，2010（2）：124-126.

[8] 周丽萍，徐柳娟.基于变频器的恒压供水节能改造的研究[J]. 浙江水利水电专科学校学报，2009，21（4）：29-37.

[9] 闫军，康会峰，张伟，齐金平.模糊控制在变频调速恒压供水系统中的应用研究[J].机械设计与制造，2009（12）：43-45.

[10] 谭德亭.三菱PLC、AB变频器恒压供水系统的应用[J].电气技术，2010（2）：70-72.