PLC 與變頻器組成的恒壓供水系統

0 引言

恒壓供水調速系統能夠實現水泵電動機無級調速，可依據用水量的變化(實際上為供水管網的壓力變化)自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今先進、合理的節能型供水系統，且技術日趨成熟。

PLC 與變頻器應用到恒壓控制系統后，使系統運行可靠，控制精度高既節省了人力又節約了能源，同時在變頻器軟啟動下，使電機、水泵的使用壽命得到延長。

1 系統工作原理

1.1 變頻調速的節能原理

圖1 中曲線1 是閥門完全打開時供水系統的阻力特性曲線，曲線2 是額定轉速時泵的揚程特性曲線，供水系統的工作點為A，流量為qa，揚程為ha，電動機的軸功率與面積O-qa-A-ha-O 成正比。要將流量減少為qb的主要調節方法有兩種：傳統方法是保持電動機(水泵)的轉速不變，將閥門關小，阻力特性如曲線3 所示，工作點移至B點流量為qb，揚程為hb，電動機的軸功率與面積Oqb-B-hb-O成正比。采用變頻調速是保持閥門的開度不變，降低電動機(水泵)的轉速，這時揚程特性曲線如曲線4 所示，工作點移至C 點，流量仍為qb，但揚程為hc，電動機的軸功率與面積O-qb-Chc-O成正比，實現了節能的目的。

1.2 系統控制方案及水泵循環投切原理

系統變頻調速由PLC 與變頻器共同完成，其原理如圖2 所示。在水站出水管處放置一個壓力傳感器，變送器負責將傳感器壓力信號轉換為1耀5 V直流電壓信號送入PLC 的閉環控制模塊，該信號與壓力給定值相比較，并經PID運算，由模塊輸出一個4耀20 mA(也可為0耀10 V)的控制信號送往變頻器，控制變頻器輸出頻率，實現電動機的無級調速，達到輸出供水管水壓穩定在所設定的壓力。

圖2中，接觸器K1，K2，K3 使水泵工作在工頻狀態，而K4 ，K5 ，K6 則與變頻器輸出相連使水泵工作在變頻狀態，考慮到每臺水泵不能同時工作在工頻與變頻狀態，在電氣設備上采用接觸器聯鎖保護。初始狀態，變頻器輸出連接在第一臺水泵電機上，管網壓力上升，當壓力小于給定值，需要加泵時，由變頻器的繼電器輸出端口發出信號到PLC，由PLC 控制切換過程。變頻器停止輸出(變頻器設置為自由停車)，利用水泵的慣性將第一臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第二臺水泵上起動并運行，以此類推，將第二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第三臺水泵上起動并運行。

需要減泵時，系統將依次將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時，變頻器連接在第三臺水泵上。

這種方式保證永遠有一臺水泵在變頻運行，三臺水泵中的任一臺都可能變頻運行。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時間基本相同，這給維護和檢修帶來方便，并提高了系統的使用壽命。所以，大部分的供水廠家都基本采用此循環投切方案。

但此方案也有不足之處，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網短時失壓，在設計時應充分地引起重視。另外，在圖2 中還可增加軟啟動器作為備用。當變頻器或PLC出現故障時，可用軟起動器手動輪流起動各泵運行以保證正常供水。

系統運行后，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運行中帶載脫閘，切換過程應按以下的程序進行。循環投切恒壓供水系統投入運行時，當變頻器的輸出頻率達到頻率上限(變頻器可設定為50 Hz)，運行60 s管網水壓未達到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是先關該臺水泵電磁閥，然后變頻器停車(停車方式設定為自由停車)，水泵電機慣性運轉，考慮到電機中的殘余電壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延時一段時間，到電機中的殘余電壓下降到較小值，保證與電源電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小。例如某水廠160 kW水泵電機的切換時間為600 ms，連接在電機工頻回路中的空氣開關容量

為400 A。關閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms 時電機的轉速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小。切換完成后，再打開電磁閥，已停車的變頻器起動并運行另外的水泵。當變頻器輸出檢測到頻率下限(可設定為30 Hz)后，應該切除最早啟動的工頻泵，切除工頻泵時，也應先關閥，后停車，這樣無“水錘”現象產生。上述這些操作都是由PLC控制自動完成。

2 系統軟件實現

整個系統的執行過程全部是由PLC來自動完成的，PLC 根據變頻器發出的頻率上限與下限信號來控制3臺水泵電機之間的循環投切，經對比，3 臺水泵之間的切換是有規律可循的，因為在同一時間只有一臺水泵處在變頻狀態，所以用變頻水泵的狀態作為查詢狀態位，工頻狀態位作為次判斷位，來分步編寫PLC的程序。系統選用日本立石公司的CPM2A 系列PLC，確定6 個交流接觸器的輸出分別為K1

(10.00)，K2(10.01)，K3(10.02)，K4(10.03)，K5(10.04)，K6(10.05)，變頻器頻率上限信號輸入為0.00，下限信號輸入為0.01。假設現在變頻器處在第一臺工頻，第二臺變頻狀態下，接觸器K1、K5 處在閉合狀態，即10.00、

10.04 輸出為1，其它輸出點輸出為0，則系統部分程序如圖3 所示。

圖3 中只是簡單的程序思路，而切換過程中還要考慮時間延時以及電磁閥的動作

問題，這里不多介紹。

3 結語

以CPM2A 系列PLC和變頻器為控制器的多泵恒壓供水系統已在某學校投入使用，試驗結果證明，系統供水壓力穩定，控制精度高，運行可靠，節省電能，系統至今運行正常。