摘 要：介紹了一種基于PLC和變頻器采用串行總線方式通訊的變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，在用水低谷時(shí)投入小流量泵，降低電能損耗。變頻器故障時(shí)仍能自動(dòng)運(yùn)行，保證不間斷供水，同時(shí)故障消除后能自啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無人值守全自動(dòng)運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：可編程控制器 變頻調(diào)速 串行通訊 小流量泵 　　在居民生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、油田、油庫、鍋爐定壓供熱和恒壓補(bǔ)水噴淋及消防等供水系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設(shè)備，不但占地面積和設(shè)備投資大，維護(hù)困難，且不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防等高水壓、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機(jī)性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實(shí)時(shí)性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時(shí)間較短，這樣水泵在很長一段時(shí)間內(nèi)有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費(fèi)。這里介紹一種由可編程控制器控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，它既能解決人工操作的繁雜勞動(dòng)和精神壓力，又能節(jié)約能源。 1、系統(tǒng)介紹 [align=center] 圖1[/align] 　　變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏顯示器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器等其它電控設(shè)備以及3臺水泵（水泵數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置）和一臺小流量泵等構(gòu)成，如圖1所示。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，將檢測的壓力信號與設(shè)定的壓力信號經(jīng)過PID運(yùn)算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng);自動(dòng)檢測水池水位信號與設(shè)定的水位低限比較，輸出水位低報(bào)警信號或直接停機(jī)。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實(shí)際供水壓力和設(shè)定供水壓力和各泵的工作狀態(tài)等信息;可以通過觸摸屏在線修改設(shè)定供水壓力和控制水泵的運(yùn)行。該系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是強(qiáng)電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。 2、工作原理 　　該系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式： 　　2.1手動(dòng)運(yùn)行方式 　　選擇此方式時(shí)，按啟動(dòng)按鈕泵或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各水泵。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)使用。 　　2.2自動(dòng)運(yùn)行方式 　　2.2.1啟動(dòng)程序 　　在自動(dòng)運(yùn)行方式下開始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先檢測水池水位，若水池水位符合設(shè)定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出;如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時(shí)一定時(shí)間后，將1#泵切換為工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動(dòng)2#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加水泵。 　　2.2.2水泵切換程序 　　如用水量減小，出水壓力超過設(shè)定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設(shè)定值（水泵出水頻率，一般為25Hz），而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時(shí)，PLC開始計(jì)時(shí)，若在一定時(shí)間內(nèi)，出水壓力降低到設(shè)定壓力，PLC放棄計(jì)時(shí)，繼續(xù)變頻調(diào)速運(yùn)行;若在一定時(shí)間內(nèi)出水壓力仍高于設(shè)定壓力，根據(jù)先投先停的原則，PLC將停止正在運(yùn)行的水泵中運(yùn)行時(shí)間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。 　　2.2.3啟動(dòng)小流量泵 　　對于居民生活供水或其它用水時(shí)段性較強(qiáng)的供水系統(tǒng)，可設(shè)置一臺小流量水泵。例如在晚上12點(diǎn)到凌晨5點(diǎn)，居民生活用水很少，一臺30kW的水泵為了維持供水壓力也需要長時(shí)間工作在25Hz左右，電動(dòng)機(jī)不僅要消耗十幾個(gè)千瓦的電能，同時(shí)還要長期工作在低頻狀態(tài)，大大影響電動(dòng)機(jī)的壽命。若系統(tǒng)中設(shè)置一臺5KW左右的小流量水泵，為了維持出水壓力，由小流量水泵變頻工作，不僅電動(dòng)機(jī)工作在較高頻率，而且消耗的電能也很小。在小流量水泵的選擇上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，揚(yáng)程和主泵相同。 　　2.2.4 水池水位檢測 　　在自動(dòng)供水的過程中，PLC實(shí)時(shí)檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào)警信號;若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí)，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號;若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門。 　　2.2.5 自動(dòng)啟動(dòng) 　　有時(shí)電源會突然斷電，若無人值班，恢復(fù)供電后若系統(tǒng)無法啟動(dòng)會造成斷水，為此本系統(tǒng)設(shè)置了通電后自動(dòng)變頻啟動(dòng)方式。在電源恢復(fù)后，PLC會發(fā)出指令，蜂鳴器發(fā)出警告，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式變頻啟動(dòng)1#泵，直到穩(wěn)定地運(yùn)行在給定水壓值。 　　2.2.6 消防報(bào)警 當(dāng)出現(xiàn)消防報(bào)警信號時(shí)，系統(tǒng)立即按照消防壓力運(yùn)行。 　　2.2.7 故障處理 　　變頻故障從冗余設(shè)計(jì)原則考慮，在變頻器發(fā)生故障時(shí)也要不間斷供水。當(dāng)變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報(bào)警，PLC發(fā)指令使全部水泵停機(jī)，然后1#泵工頻運(yùn)行（若水泵功率大于37KW，則需要采用降壓啟動(dòng)或其它啟動(dòng)方式），經(jīng)一定延時(shí)后根據(jù)壓力變化情況再使2#泵工頻運(yùn)行。此時(shí)，PLC切換泵則根據(jù)實(shí)際水壓的變化在工頻泵間切換。當(dāng)出現(xiàn)水池?zé)o水停機(jī)、電動(dòng)機(jī)欠壓、過壓、錯(cuò)相、電機(jī)故障等情況時(shí)，均能由蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。條件許可時(shí)可以添加MODEM模塊，在變頻器、電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)能通過遠(yuǎn)程通信口撥叫值班人員電話，通知有關(guān)人員前來維修。所有故障解決、恢復(fù)正常后，自啟動(dòng)前也要發(fā)出報(bào)警信號。 3、控制系統(tǒng)配置及軟件編程 　　3.1控制系統(tǒng)硬件配置 　　3.1.1 PLC的選擇 　　可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機(jī)，I/O點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)（24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)），具有2個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。自由通訊口方式是S7-200 PLC的一個(gè)很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用戶自己定義通訊協(xié)議。利于自由通訊口方式，在本系統(tǒng)中PLC可以與變頻器和觸摸屏方便連接。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個(gè)完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語句表的互相轉(zhuǎn)換。 　　3.1.2 變頻器及控制方式選擇 　　在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動(dòng)/停止由PLC通過開關(guān)量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過模擬量輸出端口輸出0～5（10）V或4～20mA信號控制的，這需要購買PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由PLC讀取變頻器的故障報(bào)警觸點(diǎn)，只是知道變頻器出現(xiàn)故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報(bào)警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。 　　因此在本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)的，變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風(fēng)機(jī)/泵類專用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價(jià)比較高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，這比通過外部端口控制變頻器的運(yùn)行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。 　　3.1.3 觸摸屏 　　觸摸屏選用臺灣HITCH公司生產(chǎn)的PWS系列，它具有豐富的驅(qū)動(dòng)程序，可方便地通過串口與S7-200系列PLC通訊。通過觸摸屏可以直觀地顯示各泵的運(yùn)行狀態(tài)、管網(wǎng)實(shí)際出水壓力、設(shè)定壓力、變頻器的電壓、電流、功率及各種故障信息等參數(shù);操作人員通過觸摸屏可以方便的在線設(shè)置生活供水壓力、消防供水壓力、變頻器加減速時(shí)間、各泵的在線/檢修狀態(tài)等參數(shù)，并可以通過觸摸屏控制各水泵的運(yùn)行。 　　3.1.4 控制電路設(shè)計(jì) 　　在控制電路設(shè)計(jì)中，注意到系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、每臺水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺水泵工頻和變頻電源同時(shí)接通或多臺水泵同時(shí)接通變頻電源的現(xiàn)象。系統(tǒng)主要控制回路如圖2所示。 [align=center] 圖2[/align] 　　3.2 PLC軟件編程 　　整個(gè)系統(tǒng)PLC既有開關(guān)量和模擬量的輸入/輸出，又有與變頻器和觸摸屏的通訊，因此在PLC控制軟件編程上采用模塊式結(jié)構(gòu)，各種功能的程序模塊通過主程序有機(jī)地結(jié)合起來，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 　　在主程序中，PLC上電初使化，檢測系統(tǒng)各部分狀態(tài)信息，若有報(bào)警信息則首先發(fā)出警告，若無報(bào)警信息，則開始從1#泵（1#泵被切除出系統(tǒng)，則從泵號最小的在線泵）變頻啟動(dòng)，實(shí)時(shí)檢測出水壓力并進(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器的輸出頻率，保持供水壓力恒定;若變頻器頻率達(dá)到50Hz延時(shí)幾秒后，出水壓力仍低于設(shè)定壓力，則將1#泵切換為工頻，變頻啟動(dòng)2#泵以保持壓力恒定并依此類推。若出水壓力超過設(shè)定壓力，則變頻器降低輸出頻率來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于設(shè)定水泵出水頻率而出水壓力仍高于設(shè)定壓力值時(shí)，延時(shí)一段時(shí)間后根據(jù)先投先停的原則，停止正在運(yùn)行水泵中運(yùn)行時(shí)間最長的工頻泵，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。若系統(tǒng)只有一臺水泵變頻運(yùn)行且連續(xù)一段時(shí)間頻率低于設(shè)定出水頻率，則切除變頻運(yùn)行主泵，投入小流量泵，既保護(hù)主泵電動(dòng)機(jī)，又節(jié)約能源。 4、結(jié)束語 　　在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，可根據(jù)實(shí)際需要水壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能降耗;系統(tǒng)增加了小流量泵，延長主泵電動(dòng)機(jī)使用壽命。變頻器故障后仍能自動(dòng)運(yùn)行，基本保障了不間斷供水，同時(shí)采用PLC與變頻器通訊的方式控制變頻器運(yùn)行，具有一定的先進(jìn)性。 　　目前該系統(tǒng)已有十幾套投入使用，運(yùn)行情況良好，操作直觀方便，節(jié)能效果明顯，受到用戶好評。 參考文獻(xiàn)： 　?。?） 陳立定 吳玉香 蘇開才 電氣控制與可編程控制器[M] 廣州 華南理工大學(xué)出版社 　?。?） 謝劍英 賈 春 微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M] 北京 國防工業(yè)出版社