變頻器和PLC在供水控制系統中的應用

本文分析了恆壓供水的工作原理和系統設計，對變頻器和PLC在供水控制系統中應用狀況提出了改進措施。

恆壓水控的工作原理

1 恆壓水控系統概述

恆壓供水是指用戶在任何時候，不管用水量的大小，總能保持管網中水壓的基本恆定。在高層建築中，通常採用恆定管網的壓力來維持對高層的供水。

恆壓供水系統的基本控制策略是:採用可編程控制器也就是我們所說的PLC與變頻調速裝置構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行。並自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，以保證供水管網的壓力保持在設定值。運用了恆壓水控技術以後，既可以滿足生產供水要求，還可節約電能，使系統處於可靠工作狀態，為居民供水提供便利。

2 PLC、變頻器在現代水控系統中的運用

自來水廠的自動控制系統一般分為兩大部分，一是水源地深水泵的工作控制，而另外一種則是水廠區變頻恆壓供水控制。水廠區變頻恆壓供水控制運用十分廣泛，水廠在運用變頻恆壓供水控制時，水源通過水廠區對水池的水進行消毒處理後，使得加壓泵向管路進行恆壓供水，其間，就需要選用PLC和上位機組成實時數據採集和監控系統。

對深水泵進行遠程控制，並且對供水泵採用變頻器進行恆壓控制，通過PLC、變頻器在現代水控系統中的運用，可以保證整個水廠的工作電機安全，可靠地運行。

3 運用PLC、變頻器水控系統的特性

運用了變頻器和PLC的恆壓供水系統，變頻器可以為電機提供可變頻率的電源，實現電機的無級調速。從而使管網水壓連續變化。此外壓力變送器還具有檢測管網水壓的作用。PLC則是泵組管理的執行設備，同時還是變頻器的驅動控制，根據用水量的實際變化，實現自動化運行。變頻器和PLC的應用為水泵轉速的平滑性連續調節提供了方便，對於消除了對電網、電氣設備和機械設備的衝擊，延長機電設備的使用壽命具有很大的作用。

變頻器、PLC在水控系統中的運用設計

利用變頻器與PLC設計水控系統，需要根據供水管道的壓力值控制水泵電機轉速，將壓力維持在所需的壓力值上，將平時不必消耗的能量節省下來，從而達到節電的目的。設計主要的流程分為以下幾個步驟：

1 恆壓供水系統主電路設計

在現代工業運用中，恆壓水控系統一般包括3臺水泵電動機M1、M2、M3， 通過模擬設定，其中Ml的功率為45kW，M2為22kW，M3為22kW。設計電路時，為該系統設計一臺變頻器依次控制每臺水泵，來實現恆壓控制。

為了使得系統具有變頻和工頻兩種運行狀態，當變頻泵達到水泵額定轉速後，如水壓在所設定的判斷時間內還不能滿足恆壓值時，系統自動將當前變頻泵狀態切換為工頻狀態，並指示下一臺泵為變頻泵。

可以設計其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制Ml、M2、M3變頻運行，KMl、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M 3工頻運行， FU為主電路的熔斷器，變頻器是風機水泵負載專用變頻器MM430，通過合理的分析，可以得到的恆壓供水系統主電路設計圖如圖1所示。

圖1 恆壓供水系統主電路設計圖

2變頻器、PLC恆壓供水系統的組成設計

變頻器、PLC恆壓供水系統的組成設計主要包括四個大的板塊：

一是壓力傳感器，是水控系統的控制輸入量，能否準確採集該信號決定控制系統的精度及可靠性。二是PLC控制器,是整個控制系統的核心，通過對外界輸入狀態進行檢測，對外界輸入的數據進行運算處理後，輸出相應的控制量。三是變頻器，作為核心控制器的後續控制單元，對終端設備進行控制，最終達到控制要求。例如多段調速、變頻器調速等。最後還有水泵組成，供水系統的執行機構，通過變頻器控制電動機的轉速，最後達到控制水泵流量大小的。變頻器、PLC恆壓供水系統的組成如圖2所示。

圖2 變頻器、PLC恆壓供水系統的組成圖

據城市供水電氣控制系統的功能要求，從經濟性、可靠性等方面來考慮，由於城市供水電氣控制系統的輸入/輸出埠較多，而其控制過程相對複雜，結合變頻器、PLC恆壓供水系統的組成設計，可以規劃出變頻器、PLC恆壓供水系統的組成如圖3所示。

圖3 變頻器、PLC恆壓供水系統的組成

PLC和變頻器在水控系統中的運用改進

現代水控系統運用PLC與變頻器還存在著一定的局限性。主要體現在主要是PLC的軟、硬體體系結構是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網絡及協議，I/O模板不通用，甚至連機櫃、電源模板亦各不相同。程式語言雖多數是梯形圖，但組態、尋址、語言結構均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。

使用變頻器時也存在著一些缺點：如使用變頻器會產生幹擾電波，影響到同一電網的敏感元件。在工業實踐中，常常產生一些問題困擾著水控系統的工作人員，對此，通過分析，可以總結出幾條對於運用變頻器和PLC的常見應急措施：

1 變頻泵過壓跳閘問題

以某水務局的水控系統為例，一臺100KW工頻泵和一臺160KW變頻泵並聯為市區供水為例，當100KW工頻泵拉閘停機時，變頻泵報過壓跳閘。某水務局水控設計圖如圖4。

圖4 某水務局的水控系統

通過這一具體的案例分析可以知道工頻泵工作時，水流在管道中高速流動，形成很大的慣性。當工頻泵突然停止，管道中產生負壓，形成空化現象，負壓將水從變頻泵中吸入，推動葉輪轉動，使電動機的轉速高於變頻器的輸出轉速，電動機產生發電效應。為此，可以通過在變頻器上加裝制動電阻來解決變頻泵過壓跳閘這一問題。

2電動機過流現象

在鄂爾多斯某水務局一臺變頻水泵，當變頻器輸出頻率達到16Hz時，總是會出現變頻器過流跳閘的現象。通過分析，可以知道因為變頻器驅動的是水泵，水泵按平方率特性曲線輸出，不會在某頻率出現過載情況。那麼變頻器過流另有原因。

斷開電動機，空載運行正常，再接入電動機，仍然在16Hz左右出現過流跳閘。換一臺電動機，運行正常，說明過流是電動機故障。

對此，為了處理電動機的過流問題，可以分解電動機，發現電動機繞組有短路現象。原來變頻器的輸出頻率上升時，電壓也在上升，當電壓上升到匝間擊穿電壓時，變頻器過流跳閘。

3 水泵變頻器過載

某供水單位使用艾默生TD2000-4T0300P (30KW)變頻器拖動水泵負載，如圖5所示。使用過程中變頻器經常報E013過載，檢查故障電流記錄58A，經查說明書：風機、水泵變頻器過載能力為：110％ 額定電流1分鐘，通過研究發現：變頻器的過載保護按反時限曲線不同分為G型和P型。

本例機型為P型機，當變頻器輸出電流達到95％持續時間達到1小時時，即報「E013」。當變頻器輸出電流達到110％、持續時間達到1分鐘也同樣報E013。

圖5 變頻器拖動水泵運行圖

經現場了解和查看，發現水泵負載長期工作在48Hz，電流長期在58A左右，報E013的原因為變頻器帶載能力不夠，需要更換更高一級的變頻器，即更換為TD2000-4T0370P或EV2000-4T0370P（37KW）。

4 PLC與變頻器在水控系統運用的改進措施

為了提高水控系統的恆壓穩定性與安全性，對於PLC與變頻器的使用有著一些注意事項以及改進措施。

為了實現對設備的分散控制和集中管理，水控系統應當採用了三層網絡進行控制，主電路中變頻與工頻中使用的接觸器應採用帶有機械聯鎖的接觸器，並且應當嚴禁將工頻電源引入到變頻器中。

變頻器的供電部分除了加裝空氣開關外，最好加裝快速保險，以保證由於過電流造成的損壞PLC編程要考慮的問題。而作為最重要的人機操作界面的變頻器操作面板，它不僅能夠實現參數的輸入功能，還能實現頻率、輸出功率、輸出轉矩、端子狀態、閉環參數、長度等物理量的監控，以及對這些物理量進行存儲與修改。

於是，適當的通過變頻器的故障報警顯示，對上述物理量進行適當修改，來排除變頻器的有關故障也顯得十分必要。

多點網絡控制技術是是通信技術、計算機技術、控制技術發展的結合點，它既能獨立運行，也可連成網絡，實現集散自動化系統的複雜控制功能，應用領域覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業領域，用這種技術設計的自來水廠分布式監控系統，經多年的實際運行證明，系統性能穩定，運行可靠，報警及時，且對於變頻器以及PLC的穩定性具有可靠地保障。運用這種控制技術對結合了變頻器以及PLC的水控系統，具有較大的推廣價值。

結論

運用了變頻器和PLC的水控系統，不僅性能穩定可靠，而且能夠非常好地控制可編程序控制器及其有關設備，水控系統與工業控制系統聯成一個整體，對於恆壓水控系統的功能擴充和設計創新，實為重要。

（編自《電氣技術》，原文標題為「變頻器&PLC在供水控制系統中的應用」，作者為馬衛忠。）