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| 恒压调速供水系统概述 |
本设计的内容是PLC控制的恒压供水系统，主要用到了PLC和变频器，系统采用变频调速方式自动调节水泵电机的速度，改变了以往先启后停的方式，系统能够自动和手动完成各个泵的启动、停止和无冲击切换，以及故障报警，使水压平稳过渡。
在恒压供水控制系统设计中，对变频器控制也进行了必要的讲解。包括变频原理，变频器的分类以及参数的设定。其硬件由PLC、变频器、电机、继电器等组成。详细的论述了PLC的原理、变频器的原理、硬件设计、软件设计；操作、参数设定、控制系统图的设计。
在设计中利用PLC控制变频器，采用PID控制器，形成以压力为闭环的控制系统，从而实现供水压力的恒定，而泵的启动和停止可以自动和手动来实现的。该系统运行可靠，抗干扰性强，且具有经济性。
【关键词】可编程控制器（PLC）；变频器；继电器；PID控制器
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质的不断提高，变频恒压供水系统以逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备，所以，此技术用在对原有系统的改造过程中，既可以体现变频控制恒压供水的优势，又可以尽量保留原有的设备，有效的节省了大量的资金，并且可以保证系统的可靠的运行。
1.1变频调速恒压供水设计方案
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数，送给变频器，由变频器控制电机的转速，调节系统的供水量，使供水管网上的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制切换器进行加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。此外，系统还设有多种保护功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。
图1-1为变频恒压供水系统。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无极调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需求的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种方法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号，如图1-1中虚线所示。供水设备控制1—3台水泵，在这些水泵中，只有一台变频泵。当供水设备供电开始时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入可编程控制器或PID回路调节器，可编程控制器或PID回路调节器则送出一个比用水量增大的信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值，可编程序控制器或PID回路调节器就发出控制信号，启动一台工频泵，其他泵依次类推。反之，当用水量减少，变频器的频率达到最小值时，则发出减少一台工频泵的信号，其他泵依次类推。图1-1中M1-M3为电机，P1-P3为水泵，KM1-KM6为电机起、停、互相切换的交流接触器。
图1-1变频恒压供水系统
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所以对可编程来讲，要有模拟量输入接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带模拟量输入/输出接口的可编程控制器，则要在可编程器的数字量输出口另接一块PWM调制板，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出接口的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出接口的可编程控制器差不多。所以，在变频器调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
针对传统的变频调速供水的不足之处，国外不少生产厂商近年来纷纷推出一系列的新型产品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型。
1.2变频恒压供水控制方式
众所周知，水泵消耗与转速的三次方成正比。即：
N=Kn3
N：为水泵消耗功率；
K：为比例系数
水泵设计是按工频运行时设计的，但除用水高峰外，大部分时间流量较小，因此可以使水泵运行的转速随流量的变化而变化，最终达到节能的目的。实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达20%--40%。
目前国内各厂家的供水设备电控柜，除采用落后的继电接触器控制方式外，大致有以下四类：
（1）逻辑电子电路控制方式：
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频工作 状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵启动时有冲击、抗干扰能力较低，但成本较低。
（2）单片机电路控制方式：
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。
（3）带PID回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式：
此时变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现无极调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由PID回路调节器内部进行运算后，输入给变频器一个调速信号。
（4）新型变频调速供水设备
针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器，形成了带有各种应用宏的变频器，由于PID运算在变频器内部，这就省去对可编程存控制器存贮容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法。所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压信号反馈信号值的准确、不失信，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。
恒压供水控制系统总体设计
1 恒压供水控制系统的设计
本设计综合PLC在多方面的应用，既有开关量I/O，也有模拟量I/O，及其PID调节器的使用。另外，设计中还使用了变频器控制。
工艺过程
随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保证供水的安全性和可靠性，提高供水质量。针对这方面的要求，本设计以 PLC丰富的控制功能，达到系统设计要求。
本设计为三台水泵的恒压供水控制系统。工艺过程如图4-1所示。
市水网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高/低水位信号由传感器直接送给PLC，作为低水位报警用。为了保证供水的连续性，水位上下限传感器的高低距离不是相差很大。三台水泵根据用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，使供水在恒压状态下进行。
系统控制要求
对三台泵恒压供水的基本控制要求：
（1）系统开始供水时，变频运行；
（2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停”的原则接入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”可避免某一台泵长时间工作；
（4）三台泵启动时有延时，减小电流过大时对其他用电设备的冲击；
（5）要有完善的报警功能；
（6）对电机的操作要有手动和自动两种控制功能。
传感器选用
采用FT-1压力传感器，FT-1E液位传感器，均将4-20mA的压力、液位信号送入PLC。
变频器选用
变频器采用ABB公司的ACS400变频器，该产品具有矢量控制，过流、过压、变频器热保护、电机热保护、失速、瞬时关断保护、外部故障、脉冲编码 、 电机过载（V/F）、变频器过载保护等功能。通过PLC模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作，从而达到电机速度跟随压力给定，保证管网水压的恒定。
变频器参数设定
表4-1变频器参数表
控制系统的I/O点及地址分配
控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如表4-1所示。水位上下限信号分别为I0.1、I0.2，它们在水淹没时为0，露出时为1。
表4-1 输入/输出点代码和地址编号
4.1.2 PLC系统及硬件选型
从上面分析可以知道，系统共有开关量输入点5个，开关量输出10个；模拟量输入点2个，模拟量输出1个。参照西门子S7-200产品目录及市场价格，选用主机CPU222（8入/6继电器输出）一台，加上一台扩展模块EM222（8继电器输出），和一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）。整个PLC系统的配置如图4-2所示。
4.2 电气控制系统原理图
电气控制系统原理图包括主电路图4-3、控制电路图4-4及PLC外围接线图4-5。
1.主电路图
如图4-3所示为系统的电机控制系统主电路图。三台电机分别为M1、M2、M3。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制的是M1、M2、M3的变频运行，FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机的过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主回路的隔离开关；QS0为主电源隔离开关，变频器ACS400（37KW）。图中序号1为A相电源指示，2为B相电源指示，3为C相电源指示，4为电压指示，5为电流指示。
2.控制电路图
图4-4所示为电机控制系统控制电路图。图中ZHK为手动/自动转换开关，手动运行时，可用按钮SB1-SB12控制三台泵工频和变频的起/停；自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。
图中HL9为自动运行状态电源指示灯。对变频器频率进行复位时提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用COM端，本设计通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复频控制。图中的Q0.0—QO.5和Q1.0—Q1.4为PLC的输出继电器触点。
3.PLC外围接线图
图4-5为PLC及扩展模板外围接线图。
4.3 系统程序设计
本程序分为三部分：主程序、子程序和中断程序。
逻辑运算及报警处理等放在主程序。系统初始化的一些工作放在初始化程序中完成，这样可节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。系统供水时设定为满量程的90%，本系统中，只是用了比例（P）和积分（I）控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定增益和时间常数为：
增益 Kc=0.25；
采样时间 T=0.2s；
积分时间 Ti=30min。
程序中使用的PLC元器件及功能如表4-2所示。
表4-2 程序中使用的元器件及功能
参 考 文 献
〔1〕许大中编。《交流电机调速理论》。 杭州:浙江大学出版社,1991。
〔2〕陈伯时主编。《电力拖动自动控制系统》。 北京:机械工业出版社,1992。
〔3〕SEMENS公司.《S7-200可编程控制器编程手册》 2005年。
〔4〕江秀汉主编。《可编程控制器原理及应用》。 西安:西安电子科技大学出版社,1993年.
〔5〕ABB公司.变频器使用手册,2004年10月.
〔6〕邓则名主编。《可编程控制器应用技术》。北京:机械工业出版社,2000年。
〔7〕顾绳谷主编。《电机及拖动基础》。北京:机械工业出版社,2002年。
（8）王永华主编。《现代电气控制技术及PLC应用技术》。北京航空航天大学出版社，2003年9月。
（9）汪晓平编著。《PLC可编程序系统开发实例导航》。人民邮电出版社，2004年7月。
（10）邓则名等编《电器与可编程序控制器应用技术》。机械工业出版社，1997年1月。
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| 2006-02-13 |
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