【正文】 基于PLC與變頻器通信方式閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基于PLC和變頻器串行通訊的變頻恒壓供水系統(tǒng)董小丹摘 要：隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢。本論文分析變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過研究和比較，本論文采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸，然后用數(shù)字PID對系統(tǒng)中的恒壓控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。具體講述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與軟件的實(shí)現(xiàn)，并對系統(tǒng)采取的可靠性措施進(jìn)行了說明。本論文的變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)許多實(shí)際的供水控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，并取得穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC；監(jiān)控系統(tǒng) 引言介紹了一種基于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)仍能自動運(yùn)行，保證不間斷供水，同時(shí)故障消除后能自啟動，實(shí)現(xiàn)無人值守全自動運(yùn)行。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和精神壓力，又能節(jié)約能源。一、系統(tǒng)介紹 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420mA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。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(一)、供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。(二)、用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。(三)、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。(四)、在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時(shí)時(shí)變化的。(五)、當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(六)、水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等功能。(七)、用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。圖1二、工作原理 該系統(tǒng)具有手動和自動兩種運(yùn)行方式： ㈠手動運(yùn)行方式 選擇此方式時(shí)，按啟動按鈕泵或停止按鈕，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。 ㈡自動運(yùn)行方式 在自動運(yùn)行方式下開始啟動運(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。 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。 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。 在自動供水的過程中，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)，自動關(guān)斷水池給水管電動閥門。 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)無法啟動會造成斷水，為此本系統(tǒng)設(shè)置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復(fù)后，PLC會發(fā)出指令，蜂鳴器發(fā)出警告，然后按自動運(yùn)行方式變頻啟動1泵，直到穩(wěn)定地運(yùn)行在給定水壓值。 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。 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或其它啟動方式），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，自啟動前也要發(fā)出報(bào)警信號。 ㈠.可編程控制器