基于PLC的变频恒压供水系统在飞来峡水厂的应用

基于PLC的变频恒压供水系统在飞来峡水厂的应用

陈泽鹏

广东省飞来峡水利枢纽管理处511528

摘要：介绍了一种基于ＰＬＣ自动控制的经济型恒压供水装置的构成及工作原理，系统采用变频调速方式，自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，ＰＬＣ控制投入工作水泵的台数，在用水量的高峰及低谷都能满足系统的需要，系统具有节能、工作可靠、自动化程度高等优点，提高了供水质量。

关键词：PLC；变频器；恒压供水

一、概述

飞来峡水厂为飞来峡水利枢纽的厂坝区的生产和生活区的生活及消防用水。设计供水能力为2000m3/日，供水方式采用PLC控制的变频恒压供水，PLC采用西门子SIMATICS7-200系列PLC，型号为CPU224，变频器采用富士电机生产的P11系列风机?泵等二次方递减转矩专用型变频器，变频器采用一拖三方案，采用PLC控制的循环起动控制方式，即自动补泵、自动减泵、定时换泵，考虑小流量用水情况，本系统增设了一台小容量的补压泵，同时通过PLC编程设置了“休眠”功能，为了保证水压平稳避免高层用户短时间停水的情况发生，本系统还配置了一个补压气罐。

二、系统组成和原理

变频恒压供水系统原理如图一；它主要有PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制回路、补压罐以及泵组组成。泵组由3台22kW工作泵和1台5kW的补压泵组成，变频器采用一拖三方案，由PLC来控制泵的启停和运行方式。通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来控制系统的运行和监视系统的运行。变频器的输出频率通过安装在出水管网上的压力进行PID运算得到，压力变送器把出口压力信号变成4～20mA标准信号送入PLC与给定压力参数进行比较，通过PID运算，得到4～20mA参数，4～20mA信号送至变频器。PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。控制回路每台泵的工频和变频接触器选有带机械闭锁的双接触器组，防止接触器粘连引起短路。

该系统有手动和自动两种运行方式。手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停，该方式主要供设备调试、变频器有故障和检修时使用。自动运行时，变频器为三台22KW电机的一拖三方案，由PLC根据压力控制泵的加减，同时根据PID调节参数调整变频器的输出使系统平稳运行，始终保持管网压力。

若电源瞬时停电的情况，则系统停机，待电源恢复正常后，系统自动恢复到初始状态开始运行。

三、变频器

变频器采用富士电机生产的P11系列风机?泵等二次方递减转矩专用型变频器，型号为FRN22P11S-4CX。P11系列变频器具有自动节能功能，实现节能运行，具有方便使用的键盘面板，在键盘面板LCD上能显示和确认变频器运行状态、输入/输出信号状态、跳闸时的详细数据，操作简单，在电机运行过程中进行自整定，实现高精度的速度控制。具有过电流、瞬时停电欠电压、过电压、过热、过载等多种电气保护功能，能适应恶劣电网、温度、湿度和粉尘能力，具有较高可靠性。

P11系列变频器具有实用的灵活的输入输出端子、频率给定、频率限制、加减时间行参数设置功能。频率给定设置为电流输入，通过PLC给出频率最低为220HZ，这样可以避免水泵低速运行（水泵在变频器输出20HZ以下时的效率很低），即不影响恒压供水的要求，又把效率提至最高。

四、PLC控制系统

该系统采用西门子SIMATICS7-200系列PLC，PLC配置为CPU224，I点数为14点，O点为10点，继电器输出，扩展单元为EM235AI4/AQ1模拟输入输出单元，PLC编程采用西门子专用编程软件STEPMicroWinV3.2，软件提供完整的编程及调试环境，可进行离线编程、在线连接和调试。该系统采用可编程控制器的开关量输入输出来控制电机的、自动投入、切除、定期切换、小流量控制模式、“休眠”状态，变频器、水泵的运行状态及故障的报警等，对模拟输入输出进行采集、运算等操作，通过对运算结果来控制各泵的运行状态，以达到控制水压的平稳。

PLC把采集到的出口4～20mA压力信号与给定压力参数进行比较，通过PID运算，把运算结果转化4～20mA信号送至变频器，对应的频率为0～50Hz，因电机在低频率下运行效率较低，因此PLC输出设了一个最低频率为20Hz，当PLC经PID运算得出的输出频率低于20Hz时就输出20Hz。PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换，泵组切换示意图如图二，工作条件满足，开始工作时，1#泵变频启动，泵的转速随变频器输出频率的上升而逐渐升高，如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值，延时一段时间后，1＃泵迅速切换至工频运行，同时解除变频器运行信号，使变频器频率降为0HZ，然后2＃泵变频启动，若压力仍未达到，则2＃泵切换至工频，3＃泵变频启动，在运行中始终保持一台泵变频运行，当压力达到设定值且变频输出为20HZ，延时一段时间后，由PLC切除1＃工频泵，此时由一台工频泵和一台变频泵运行，如果此时压力达到设定值，变频器的输出为20HZ，延时一段时间后，PLC切除2＃工频泵，只由3＃泵变频运行，如果此时用水量少，压力达到设定值且变频输出为20HZ，延时一段时间后，系统进入小流供水状态，停止3台工作泵，启动4#泵进行补压，以维持管网压力，如果此时用水量继续减少或不用水，压力达到设定值后一段时间，PLC判断为无人用水，系统进入“休眠”状态，PLC切除全部4台泵，直到压力降到系统恢复运行的压力，系统回到正常自动运行状态。

这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高层用户短时间停水的情况发生。以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常时采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。而在该系统中采用直接停工频泵的运行方式，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时间缺水的现象，提高了供水品质。

五、参数设置和调试

为了使系统稳定快速准确的运行，在系统调试时应注意以下参数和设定：

1）变频、工频切换时间T，切换时间T在PLC程序中设定，设置T时为了确保在加泵时，泵由变频转换为工频过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对对应的交流接触器不会同时吸合，而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流大而对电网产生冲击，所以在允许的范围内时间T必须尽可能小，因为本系统交流接触器使用了带机械闭锁的，所以T设置为0.1秒，变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频运行的频率是否达到上限（下限），并保持一定的时间来判断是否加、减泵，根据本系统的实际情况上限（下限）这个判断时间就是TH（TL），如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量变化时就很可能引起频繁的加减泵工作，TH设定为28秒，TL设定为14秒，T1设定为60秒，T2设定为60秒，定期轮换时间为21000秒。

2）PID参数的设定也比较关键，比例增益KP过大，压力调节快，易引起压力振荡，设定过小，反应迟钝。积分增益TI过大，反应退钝，设定过小，压力调节快，易振荡。一般微分增益设为零。出口压力设定由面板电位器设定，这些参都是通过经验和试验的方式取得，因为系统压力滞后不大、微分增益设为零，KP设为1.5、TI设为3，出口压力设为2.5bar。

六、运行实际情况

该系统采用PLC和变频器结合，系统运行平稳可靠，实现了真正意义上的无人职守的全自动循环倒泵、变频运行，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转启动平稳，增加补压泵和补气罐后，对小型号恒压供水系统的供水压力的稳定，和水泵运行效率有了较大的做用。

参考文献：

[1]原魁、刘伟强。变频器基础及应用（第2版）。冶金工业出版社，2005

[2]史宜巧、田敏。PLC控制系统设计与运行维护。机械工业出版社，2010

[3]FRENIC5000G11S/P11S操作说明书