基于PLC与变频器实现恒压供水控制系统
一、项目描述
传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。
恒压供水控制系统的基本控制策略
采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。
二、项目要求
1.水泵功率：7.5kw.
2.恒定压力：
3.5mpa
三、现恒压供水的方案设计
供水系统采用一台三菱（FX2N系列）PLC控制一台三菱(FR-E500)变频器，并通过接触器切换实现一台变频器控制三台水泵的运转，为保证系统的可靠性，本系统采用转换开
关来实现工频/变频之间的转换，在变频操作方式下，交流接触器之间采用互锁控制方式，同理，在工频操作方式下，交流接触器之间也采用互锁控制方式。
变频器采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4~20mA ）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID 回路，PID 回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。
四、控制系统硬件选择及组成图：
电器件选择：
由于电机功率为7.5KW ，供水负载为泵类，选用7.5KW E500系列变频器；PLC 选用FX2N48MR ；接触器选用CJX2-2510，线圈电压AC220V ；热继电器选用JRS1系列,整定电流20A ；熔断器选用RT0-200A/500V ；开关选用梅兰日兰NSD160K ，额定电流160A ；电位器选用1K 2W 。
变频器及外部接线图
KM0FU QS L2L3L11#泵
2#泵
3#泵
图1 变频器及外部接线图
PLC 外部接线图
KM0
KM1
KM2KM3KM4KM5
KM6
KM1
KM3
KM5
KM3
KM5
KM0
KM1
KM5
KM2
KM1KM3
KM2
Y0
Y1
Y2
Y3
Y4
Y5
Y6
COM0COM X0
X1X2
X3X4X5
X6
X7X10X11X12
X13X14X16SE
手动/自动切换系统启动1#泵热过载2#泵热过载3#泵热过载
频率上限频率下限压力上限
压力下限手动1#泵工频手动2#泵工频手动3#泵工频
手动1#泵变频手动2#泵变频手动3#泵变频X15FX2N-48MR
X17急停X20相序保护X21液面下限AC220V Y10Y11Y12Y14Y15COM4
DC24V
FU
KA0
M1故障报警M2故障报警M3故障报警变频启动相序保护报警FU FUP FU2FDN
1#泵工频1#泵变频
2#泵工频
3#泵工频
2#泵变频
3#泵变频
急停
AC220V电源DC24V电源
停止
X22
图2 PLC 外部接线图
五、PLC 控制程序及说明
1、PLC 控制程序说明
当管道内实际压力低于设定压力时，启动系统，1#泵变频运行，当1#泵变频器
频率超出49HZ 时，1#泵退出变频器运行，切换到工频；如果实际压力仍然低于设定压力时，启动2#泵变频运行，当2#泵变频器频率超出49HZ 时，2#泵退出变频器运
行，切换到工频；如果实际压力仍然低于设定压力时，启动3#泵变频运行，当3#泵变频器频率超出49HZ时，3#泵退出变频器运行，切换到工频，三台泵全部工频运行，达到供水量的最大值；如果这时管道内实际压力高于设定压力，3#泵由工频切换到变频器运行，若实际压力仍然高于设定压力，3#泵频率继续降低，当低于30HZ时，3#泵退出运行；若实际压力仍然高于设定压力，2#泵、1#泵依次由工频切换到变频器运行，并在频率低于30HZ时，依次退出运行。
2、I/O分配表
3、PLC程序
六、变频器主要设定参数
参数号参数名称设定值设定功能
Pr.1 上限频率60 上限频率设定值
Pr.2 下限频率0 下限频率设定值
Pr.7 加速时间2S 加速时间设定值
Pr.8 减速时间2S 减速时间设定值
Pr.38 5V（10V）输入时频率50HZ
Pr.42 输出频率检测49 频率超49HZ时有输出信号
Pr.50 第二输出频率检测30
Pr.73 输入电压0 0-5V
Pr.79 操作模式 2 外部操作模式
Pr.128 PID动作选择20 PID为反作用
Pr.129 PID比例常数30%
Pr.130 PID积分时间1S
Pr.131 上限70% 压力上限
Pr.132 下限50% 压力下限
Pr.133 设定值60% 压力设定值
Pr.190 RUN端子功能选择14 PID下限
Pr.191 FU端子功能选择15 PID上限
Pr.192 IPF端子功能选择 5 第二输出
Pr.194 FU端子功能选择 4 第一输出
七、心得体会:
恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
