赵鹏飞

1  概述
PLC自问世以来，发展异常迅猛。时至今日已拥有门类齐全的各种功能模块和强大的网络通讯能力，其应用范围可以覆盖现代工业的各个领域，满足各类受控对象的不同控制要求。变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特的控制性被广泛应用在速度控制领域。将PLC与变频器结合可大大优化传统的供水系统。
传统的供水系统，大体有两种：一种是采用高位水箱，另一种是采用恒速泵打水。前者造价较高，投资成本大。后者使泵满负荷运转，无法调节水量，因此浪费电能。以上两种方式还有着共同缺点，就是管道中水压不稳，时高时低。
如今，供水系统已越来越多地采用变频恒压供水。例如，某化工厂的废水处理采用循环系统，将生产车间的废水收集至废水池，经一系列物理、化学处理后，回送至车间使用。该控制系统主要由两部分组成，即水处理系统和自动恒压供水系统。自动恒压供水系统可根据生产车间瞬时变化的用水量，以及与其对应的压力两种参数，通过PLC和变频器自动调节水泵的转数及台数，来改变水泵出口的压力和流量，使车间的用水压力保持恒定值。
2  系统构成
供水系统如图1所示。P1、P2为加压泵，用于向车间加压供水，F1、F2为手动阀门，F3、F4为止回阀。正常供水时，F1、F2为开启状态，只有在检修时才关闭。蓄水池内设有液位控制，当蓄水池内水位过低，它会向PLC发送信号使系统停机，以防水泵抽空。该系统设有选择开关，可选择系统在自动和手动状态下工作。当选择手动状态时，可分别通过按钮控制两台泵单独在工频下运行与停止，这主要用于定期检修临时供水。当选择自动状态时，可实现恒压变量供水。
 

图1  系统供水示意图

3  工作原理
系统工作原理如图2所示。PLC首先利用变频器软启动一台加压泵，此时安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈给变频器，与预先通过变频器面板设定的给定压力值进行比较，通过变频器内部PID运算，调节变频器输出频率。
具体地说，在某一压力下，当用水量增大时，管路压力下降，产生偏差，该信号被送入控制器进行处理，控制器产生一定的电信号控制变频器升频，水泵转速升高，供水增加，压力恢复。反之，用水量减少时，工作机理同上所述。由于整个过程压力偏差较小，调节时间较短，系统表现为恒压。实际上，这是一个动态调整过程。
 

图2  控制系统图

在用水量较大时，变频器输出频率接近工频，而管网压力仍达不到压力设定值，PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频下工作，并关断变频器，再将变频器切换到另一台泵，由变频器软启动该泵，实现一台工频一台变频双泵供水。随着用水量减少，变频器输出频率下降，当降至频率下限，而压力仍能达到压力设定值时，PLC将工频工作泵切除，只由剩下的单泵变频供水。系统无论单泵变频工作，还是双泵一台工频一台变频工作，始终控制管网压力与给定压力值保持一致，实现恒压供水。
 

图3  水泵切换示意图

水泵切换程序如图3所示，是根据设定的压力与压力传感器测定的现场压力信号之差△P来控制的。当△P＞0时，增加输出电流的大小，提高变频器的输出频率，从而使变频泵转速加快，实际水压得以提高；当△P＜0时，则变频泵转速降低，实际水压减少，△P减少。经过多次调整，直至△P=0。由此，实际压力在设定压力附近波动，保证压力恒定。如果实际压力太小，某台调速泵调整到最大供水量仍不足以使△P=0，则该台变频泵切换至工频，而增加下一台泵为变频工作；如果实际压力过大，本台调速泵调整到最小供水量仍不足以使△P=0，则关闭上次转换成工频的水泵，再进行调整。这样每台泵在工频和变频之间切换，做到先开先停，后开后停，即所谓的循环调频。各泵均衡运行，合理利用资源，延长泵的使用寿命，减少维护量和维护费用。
4  系统设计
4.1  变频器硬件设计
变频器选用日本三菱变频器FR-E540-4K产品，适配电机4kW。该变频器基本配置中带有PID功能，通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的压力信号（0～10V）接至变频器的辅助输入端作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上。
4.2  PLC硬件设计
PLC选用日本三菱公司的FXos-14MR产品。加压泵P1、P2可变频工作，也可工频工作，共四个工况，需PLC的四个输出信号控制。变频器的运行与关断由PLC的一个输出信号控制，蓄水池水位过低及声响报警分别占用PLC一个输入点和一个输出点，加压泵P1、P2的过载信号进PLC的两个输出点，变频器极限频率的检测信号占用PLC一个输入点，有紧急情况和发生供电相序故障等，需要紧急停车时，系统设有一个急停按钮，占用PLC一个输入点，以控制整个系统全线停车。系统分自动和手动工作方式，由一个选择开关K控制，它连接PLC一个输入点。
该控制系统中，安装在管网上的压力传感器将0～0.4MPa范围的压力对应转换成0～10V电信号，反馈给变频器，作为压力反馈。该传感器可靠性好，还可设定水压的上、下限压力值。它们分别设在给定压力值上下两侧与给定压力略有偏差处。当管网压力处于上、下限位置，传感器分别输出开关信号进PLC两个输入点，与变频器的极限输出频率检测信号一起，通过PLC控制泵的变频与工频切换以及控制工频工作泵的切除。
系统所需的输入/输出点数量共为14个点，FXos-14MR PLC共有8个输入点，6个输出点，能够满足系统的控制要求。FX系列PLC具有抗干扰能力强，可靠性高等特点，可长期在恶劣的工业环境下工作。
4.3  系统参数的确定
该供水系统的用水量变化较大，要求系统具有快速反应能力及良好的稳定性。因此在确定PID参数时要兼顾系统的稳固性和灵敏度，P参数尽可能大，以保证系统有良好的稳定性，在集中供水时保证系统压力在设计要求的恒压范围内；I、D参数的选取应保证系统具有良好的灵敏度和抗干扰性。经过反复试验得出各参数的取值，P:60～80；I:10～15；D:1～3。
变频到工频的切换采用时间原则，即水泵电机变频工作到额定转速后，撤销变频，自由减速一定时间，待转速略有降低后立即投入工频工作。时间的长短要使工频接入时其启动电流在额定电流的150%内，而且保证电机与变频器连接的接触器安全断开。
5  应用效果
该系统于2001年7月正式投入运行。运行结果表明该系统有以下优点：
①  节能通过调整频率来改变泵的转速，使泵处于最佳运行状态，实现节能约35%。
②  延长电动机的使用寿命 由于电动机的启动电流为额定电流的5～7倍，冲击转矩很大。变频启动是一种软启动方式，可避免对电机的机械冲击，且保护了管路系统。
③  有可靠的保护措施 高可靠性是PLC最突出的特点之一。由于变频器自身设置过流、过压、欠压保护，消除了电机因过载或单相运行而烧坏电机的现象，确保了安全生产。
④  减少设备的磨损 由于电动机的转速一般都降至额定转速以下，水泵电机工作电流下降，电机温升明显下降，使泵及管路的磨损程度大大减少，维修工作量也大大减少。
⑤  提高了工作效率 系统能自动控制泵的启停，不需专人启动泵及调节阀门开度。因而工作效率大为提高，节约了人力资源成本。