基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统
基于PLC和变频器串行通讯的变频恒压供水系统
（摘 要）介绍了一种基于PLC和变频器采用串行总线方式通讯的变频恒压供水系统的构成和工作原理。系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速，保持供水压力的恒定，在用水低谷时投入小流量泵，降低电能损耗。变频器故障时仍能自动运行，保证不间断供水，同时故障消除后能自启动，实现无人值守全自动运行。
（关键词）可编程控制器 变频调速 串行通讯 小流量泵
Frequency Conversion Constant Pressure Water Supply System Based on PLC and Frequency Convertor With Serial Communication
Yao Fuqiang① Gao Zhengzhong① Yao Fu’an②
College of Information ang Electrial of Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266510①
School of Control Science and Engineering of Shandong University, Jinan ,250061②
（Abstract） The composition and operational principle of an automatic frequency conversion constant pressure water supplying system based on PLC and frequency convertor with serial communication are introduced . The system adopts frequency conversion speed regulating measure to adjust rotating speed of the motors of water pumps ，and to keep the press constant .This system can startup the little pump at the vale of using water to saving power . System can still operates automatically with failure of frequency conversion to obtain uninterrupted water supply and can be auto startup after system recovery , this creates the possibility of fully automatic operation.
（Key Word） PLC Frequency conversion and variable speed
serial communication low flow pump
在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供热和恒压补水喷淋及消防等供水系统中，采用传统的水塔、高位水箱、气压增压等设备，不但占地面积和设备投资大，维护困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。另一方面，由于供水量的随机性，采用传统方法难以保证供水的实时性，且水泵的选取往往是按最大供水量来确定，而高峰用水时间较短，这样水泵在很长一段时间内有较大余量，不仅水泵效率低，供水压力不稳，而且造成大量电力浪费。这里介绍一种由可编程控制器控制的变频恒压供水系统，它既能解决人工操作的繁杂劳动和精神压力，又能节约能源。
1、系统介绍
变频恒压供水控制系统由PLC控制器、触摸屏显示器、变频调速器、压力变送器、水位变送器、交流接触器等其它电控设备以及3台水泵（水泵数量可以根据需要设置）和一台小流量泵等构成，如图1所示。在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，在蓄水池安装液位变送器，PLC具有模拟量输入检测模块，检测压力变送器和液位变送器输出的4-20mA信号，将检测的压力信号与设定的压力信号经过PID运算后，通过控制变频器的输出频率来调整电动机的转速，保持供水压力的恒定，这样就构成了以设定压力为基准的压力闭环系统；自动检测水池水位信号与设定的水位低限比较，输出水位低报警信号或直接停机。触摸屏显示器可以显示电源电压、电流、变频器输出频率、实际供水压力和设定供水压力和各泵的工作状态等信息；可以通过触摸屏在线修改设定供水压力和控制水泵的运行。该系统还设有多种保护功能，尤其是强电逻辑硬件互锁功能，从而保证正常供水，且可以做到无人值守。
2工作原理
该系统具有手动和自动两种运行方式：
2.1手动运行方式
选择此方式时，按启动按钮泵或停止按钮，可根据需要而分别启停各水泵。这种方式仅供检修或控制系统出现故障时使用。
2.2自动运行方式
2.2.1启动程序
在自动运行方式下开始启动运行时，首先检测水池水位，若水池水位符合设定水位要求，1#泵变频交流接触器吸合，电机与变频器连通，变频器输出频率从0Hz开始上升，此时压力变送器检测压力信号反馈PLC，由PLC经PID运算后控制变频器的频率输出；如压力不够，则频率上升至50Hz，延时一定时间后，将1#泵切换为工频，2#泵变频交流接触器吸合，变频启动2#水泵，频率逐渐上升，直至出水压力达到设定压力，依次类推增加水泵。
2.2.2水泵切换程序
如用水量减小，出水压力超过设定压力，则PLC控制变频器降低输出频率，减少出水量来稳定出水压力。若变频器输出频率低于某一设定值（水泵出水频率，一般为25Hz），而出水压力仍高于设定压力值时，PLC开始计时，若在一定时间内，出水压力降低到设定压力，PLC放弃计时，继续变频调速运行；若在一定时间内出水压力仍高于设定压力，根据先投先停的原则，PLC将停止正在运行的水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。
2.2.3启动小流量泵
对于居民生活供水或其它用水时段性较强的供水系统，可设置一台小流量水泵。例如在晚上12点到凌晨5点，居民生活用水很少，一台30kW的水泵为了维持供水压力也需要长时间工作在25Hz左右，电动机不仅要消耗十几个千瓦的电能，同时还要长期工作在低频状态，大大影响电动机的寿命。若系统中设置一台5KW左右的小流量水泵，为了维持出水压力，由小流量水泵变频工作，不仅电动机工作在较高频率，而且消耗的电能也很小。在小流量水泵的选择上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，扬程和主泵相同。
2.2.4 水池水位检测
在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。
2.2.5 自动启动
有时电源会突然断电，若无人值班，恢复供电后若系统无法启动会造成断水，为此本系统设置了通电后自动变频启动方式。在电源恢复后，PLC会发出指令，蜂鸣器发出警告，然后按自动运行方式变频启动1#泵，直到稳定地运行在给定水压值。
2.2.6 消防报警 当出现消防报警信号时，系统立即按照消防压力运行。
2.2.7 故障处理
变频故障从冗余设计原则考虑，在变频器发生故障时也要不间断供水。当变频器突然发生故障，蜂鸣器报警，PLC发指令使全部水泵停机，然后1#泵工频运行（若水泵功率大于37KW，则需要采用降压启动或其它启动方式），经一定延时后根据压力变化情况再使2#泵工频运行。此时，PLC切换泵则根据实际水压的变化在工频泵间切换。当出现水池无水停机、电动机欠压、过压、错相、电机故障等情况时，均能由蜂鸣器发出警报声。条件许可时可以添加MODEM模块，在变频器、电动机发生故障时能通过远程通信口拨叫值班人员电话，通知有关人员前来维修。所有故障解决、恢复正常后，自启动前也要发出报警信号。
3 控制系统配置及软件编程
3.1控制系统硬件配置
3.1.1 PLC的选择
可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点(24个输入点和16个输出点)，具有2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。自由通讯口方式是S7-200 PLC的一个很有特色的功能，它使S7-200 PLC可以由用户自己定义通讯协议。利于自由通讯口方式，在本系统中PLC可以与变频器和触摸屏方便连接。模拟量输入采用4路12位A/D模拟量输入的EM231模块，具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。
3.1.2 变频器及控制方式选择
在传统的变频控制系统中，变频器的启动/停止由PLC通过开关量输出控制，变频器频率是由PLC通过模拟量输出端口输出0～5(10)V或4～20mA信号控制的，这需要购买PLC比较昂贵的模拟量输出端口模块。对变频器故障的检测是只是由PLC读取变频器的故障报警触点，只是知道变频器出现故障，但具体什么故障并不清楚，需操作人员查询变频器报警信息后再阅读变频器说明书才知道，这对于一般值班人员来说太难了。
因此在本系统中PLC对变频器的控制是通过串行通讯的方式实现的，变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获的了大量变频器的信息。
3.1.3 触摸屏
触摸屏选用台湾HITCH公司生产的PWS系列，它具有丰富的驱动程序，可方便地通过串口与S7-200系列PLC通讯。通过触摸屏可以直观地显示各泵的运行状态、管网实际出水压力、设定压力、变频器的电压、电流、功率及各种故障信息等参数；操作人员通过触摸屏可以方便的在线设置生活供水压力、消防供水压力、变频器加减速时间、各泵的在线/检修状态等参数，并可以通过触摸屏控制各水泵的运行。
3.1.4 控制电路设计
在控制电路设计中，注意到系统自动/手动转换、每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。系统主要控制回路如图2所示。
图2
3.2 PLC软件编程
整个系统PLC既有开关量和模拟量的输入/输出，又有与变频器和触摸屏的通讯，因此在PLC控制软件编程上采用模块式结构，各种功能的程序模块通过主程序有机地结合起来，使系统运行稳定可靠。
在主程序中，PLC上电初使化，检测系统各部分状态信息，若有报警信息则首先发出警告，若无报警信息，则开始从1#泵（1#泵被切除出系统，则从泵号最小的在线泵）变频启动，实时检测出水压力并进行PID运算，控制变频器的输出频率，保持供水压力恒定；若变频器频率达到50Hz延时几秒后，出水压力仍低于设定压力，则将1#泵切换为工频，变频启动2#泵以保持压力恒定并依此类推。若出水压力超过设定压力，则变频器降低输出频率来稳定出水压力。若变频器输出频率低于设定水泵出水频率而出水压力仍高于设定压力值时，延时一段时间后根据先投先停的原则，停止正在运行水泵中运行时间最长的工频泵，直至出水压力达到设定值。若系统只有一台水泵变频运行且连续一段时间频率低于设定出水频率，则切除变频运行主泵，投入小流量泵，既保护主泵电动机，又节约能源。
4 结束语
在供水系统中采用变频调速运行方式，可根据实际需要水压的变化自动调节水泵电机的转速或加减泵，实现恒压供水，节能降耗；系统增加了小流量泵，延长主泵电动机使用寿命。变频器故障后仍能自动运行，基本保障了不间断供水，同时采用PLC与变频器通讯的方式控制变频器运行，具有一定的先进性。
目前该系统已有十几套投入使用，运行情况良好，操作直观方便，节能效果明显，受到用户好评。
参考文献：
(1) 陈立定 吴玉香 苏开才 电气控制与可编程控制器[M] 广州 华南理工大学出版社
(2) 谢剑英 贾 春 微型计算机控制技术[M] 北京 国防工业出版社
