PLC在恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水壓力不足或短時斷水，可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。

基于上述情況對某生活區(qū)供水系統(tǒng)進行了改造，采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID相結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
供水系統(tǒng)由主供水回路、備用回路、儲水池及泵房組成，其中泵房裝有1#～3#共3臺150kW泵機。另外，還有多個電動閘閥或電動蝶閥控制各供水回路和水流量。由于該供水網(wǎng)較大，系統(tǒng)需要供水量每小時開2臺泵機向管網(wǎng)充壓，供水量大時，開3臺泵機同時向管網(wǎng)充壓。要想維持供水網(wǎng)的壓力不變，在管網(wǎng)系統(tǒng)的管道上安裝了壓力變送器作為反饋元件，為控制系統(tǒng)提供反饋信號，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)是一個大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用PID調(diào)節(jié)器進行控制，而應(yīng)采用PLC參與控制的方式來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。可編程序控制器選擇日本松下FP1-C40型，且配有A/D和D/A模塊，其原理框圖如圖1所示。變頻器選擇FRN1 60G7P-4實現(xiàn)電動機的調(diào)速運行。

控制系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、切換繼電器、壓力傳感器等部分組成。控制核心單元PLC根據(jù)手動設(shè)定壓力信號與現(xiàn)場壓力傳感器的反饋信號經(jīng)PLC的分析和計算，得到壓力偏差和壓力偏差的變化率，經(jīng)過PID運算后，PLC將0～5V的模擬信號輸出到變頻器，用以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速以及進行電機的軟起動;PLC通過比較模擬量輸出與壓力偏差的值，通過I/O端口開關(guān)量的輸出驅(qū)動切換繼電器組，以此來協(xié)調(diào)投入工作的電機臺數(shù)，并完成電機的起停、變頻與工頻的切換。通過調(diào)整電機組中投入工作的電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使動力系統(tǒng)的工作壓力穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計和PLC的I/O分配
系統(tǒng)程序包括起動子程序和運行子程序，其流程圖如圖2所示。運行子程序又包括模擬調(diào)節(jié)子程序(其流程圖如圖3所示)和電機切換子程序(流程圖略)，電機切換子程序又包括加電機子程序和減電機子程序(程序設(shè)計略)。PLC的輸入、輸出端子分配情況如附表所示。

圖 2 起動程序流程圖


圖3 模擬調(diào)節(jié)流程圖

附表 可編程序控制器(C40)部分輸入、輸出端子分配

4 系統(tǒng)工作過程
加上起動信號(X4)后，此信號被保持，當(dāng)條件滿足(即X2為“1”)時，開始起動程序，此時由PLC控制1# 電機變頻運行(此時Y0、Y6、Y7亮)，同時定時器T0開始計時(10s)，若計時完畢X2仍亮，則關(guān)閉Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延時1s(延時是為了兩方面的原因:一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器;二是讓變頻帶器減速為零，以重新起動另一臺電機)。延時完畢，則有1#機投入工頻運行，2#機投入變頻運行，此時Y1、Y2、Y6、Y7亮，同時定時器T1開始計時(10s)，若計時完畢X2仍未滅，則關(guān)閉Y2、Y6，(Y1、Y7仍亮，)T3延時1s，延時完畢，將2#機投入工頻運行，3#機投入變頻運行，(此時Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7滅掉后，則整個起動程序執(zhí)行完畢，轉(zhuǎn)入正常運行調(diào)節(jié)程序，此后起動程序不再發(fā)生作用，直到下一次重新起動。在起動過程中，無論幾臺電機處于運行狀態(tài)，X2一旦滅掉，則應(yīng)視為起動結(jié)束(Y7滅掉)，轉(zhuǎn)入相應(yīng)程序。綜合整個起動過程，完成3臺電機的起動最多需要22s的時間。

運行過程中，若模擬調(diào)節(jié)器節(jié)上、下限值均未達到(即X1、X2滅)，則此時變頻器處于模擬調(diào)節(jié)狀態(tài)(此時相應(yīng)電機運行信號和Y6亮)。

若達到模擬調(diào)節(jié)上限值(X1亮)，則定時器T4馬上開始定時(5s)。定時過程中監(jiān)控X1，若X1又滅掉，則關(guān)閉定時器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié);若T4定時完畢，X1仍亮，則起動一低速(Y8亮)，進行多段速調(diào)節(jié)，同時定時器T5開始定時(3s)，定時完畢。若X1仍亮，則關(guān)閉此多段速，起動一更低速(Y9)，同時定時器T6定時(10s)。定時完畢，若X1仍亮，則關(guān)掉Y9，此后X0很快會通，轉(zhuǎn)入切換動作程序。在此兩級多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時，若X0亮，則會關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時器，同時進行切換動作，即轉(zhuǎn)入切換程序。同樣，若無論何時，X1滅掉，則關(guān)閉運行多段速和定時器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。

若達到模擬調(diào)節(jié)下限值(X2亮)，則定時器T7馬上開始定時(5s)，定時過程中監(jiān)控X2，若X2又滅掉，則關(guān)閉定時器，繼續(xù)摸擬調(diào)節(jié)，若T7定時完畢，X2仍亮，則起動一高速(Y7、Y2)，進行多段速調(diào)節(jié)，同時定時器T8開始定時(3s)，定時完畢。若X2仍亮，則關(guān)閉此多段速，起動一更高速(Y8、Y9)，同時定時器T9定時(10s)，定時完畢。若X2仍亮，則關(guān)掉Y8、Y9，此后X3很快會通，轉(zhuǎn)入加電機動作程序。在此兩級多段速調(diào)節(jié)過程中，無論何時，若X3亮，則會關(guān)閉相應(yīng)多段速和定時器，同時進行加電機動作，即轉(zhuǎn)入加電機程序。同樣，若無論何時，X2滅掉，則關(guān)閉運行多段速和定時器，轉(zhuǎn)入模擬調(diào)節(jié)。

電機切換程序分為電機切除程序和加電機程序兩部分。此程序動作的條件是:起動結(jié)束后無論何時X0亮，一旦條件滿足，即由PLC根據(jù)電動機的運行狀態(tài)來決定相應(yīng)切換哪臺電機，切換時只能切換工頻運行電機。

若工作狀態(tài)是1臺變頻1臺工頻，則立即切除工頻電機，然后計數(shù)值減1，即完成此過程，再由調(diào)節(jié)程序運行，調(diào)節(jié)至滿足要求為止。

若3臺電機同時工作，則應(yīng)由PLC來決定切除哪臺工頻運行電機。切除依據(jù)是3臺電機對應(yīng)計數(shù)器的大小，誰大切誰，切除掉一臺后，要由定時器定時(5s)等待，以便變頻器調(diào)節(jié)一段時間，防止連續(xù)切除動作。這主要是考慮到本系統(tǒng)的非線性和大小慣性因素而采取的措施。 圖3運行時模擬調(diào)節(jié)子程序流程圖加電機程序，其動作程序是:起動結(jié)束后無論何時X2亮，一旦條件滿足，立即關(guān)掉變頻運行電機和變頻器，延時一段時間后(原因同上)，將原變頻運行電機投入工頻運行，同時打開變頻器和將要起動電機的變頻開關(guān)，完成加電機。

同樣，若原有2臺電機工頻工作，則X2一亮，立即開始加另一臺電機(無延時)，(加電機依據(jù)是判斷計數(shù)值，誰小加誰)但加電機完成以后，定時器要開始定時(5s)等待，讓變頻器調(diào)節(jié)一段時間，防止連續(xù)加電機動作。其過程分為:1# → 2#、1# → 3#、2# → 3#、2# → 1#、3# → 2#、 3# → 1#。

5 結(jié)束語
用變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比較，節(jié)能效果十分顯著。其優(yōu)點是:起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊;由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命;可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng);在鍋爐和其他燃燒重油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環(huán)境的污染。