1  引言
  恒壓供水在城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)、住宅小區(qū)生活消防用水系統(tǒng)、樓宇中央空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。恒壓供水是指用戶端在任何時(shí)候，不管用水量的大小總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。在恒壓供水系統(tǒng)中可根據(jù)壓力給定的理想值信號(hào)及管網(wǎng)水壓的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。本文介紹基于PLC控制的多臺(tái)水泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2  控制要求
  某中心給水泵站擔(dān)負(fù)周邊高層小區(qū)的生活用水二次加壓任務(wù)。包括3臺(tái)22kW生活水泵、1臺(tái)7.5kW夜間補(bǔ)壓水泵。3臺(tái)生活水泵用水高峰時(shí)段需要工作在“1工1變”狀態(tài)，其它時(shí)段工作在“1變”狀態(tài)，深夜用水低谷僅用7.5kW補(bǔ)壓泵工作在工頻即可。

3  系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  該系統(tǒng)主要由三菱FX-2N系列PLC控制器、三菱FR-A540變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、浮球水位計(jì)(開關(guān))、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。
3.1 主回路設(shè)計(jì)
  采用一拖多的方式，每臺(tái)電機(jī)水泵既可工頻運(yùn)行又可變頻運(yùn)行。主回路如圖1所示。

圖1  主回路圖

  變頻器用水高峰期3臺(tái)水泵一臺(tái)工頻運(yùn)行一臺(tái)變頻運(yùn)行另一臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)，并每周循環(huán)一次，既便于維護(hù)和檢修作業(yè)，又不至于停止供水。利用PLC編程可實(shí)現(xiàn)此功能。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。一般用水時(shí)段有一臺(tái)水泵處于變頻狀態(tài)，其中應(yīng)特別注意，為了保護(hù)機(jī)電設(shè)備在工頻——變頻狀態(tài)切換過程中應(yīng)先將變頻器輸出停止，延時(shí)1s時(shí)間后再啟動(dòng)，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)短暫失壓現(xiàn)象，但實(shí)際應(yīng)用中這種影響并不明顯。

圖2  多泵循環(huán)的PLC編程方法

3.2 變頻器頻率(速度)設(shè)定的方法
  (1) 利用變頻器本身的多段速度設(shè)定法
    三菱FR-A540變頻器本身有多段速度的設(shè)定功能，以七段速度為例，七段調(diào)速如附表所示。

附表     變頻器七段速度表

  這種控制方式下，當(dāng)前水位若在下限則PLC輸出高一級(jí)的變頻信號(hào)給變頻器，當(dāng)七段速度均啟動(dòng)工作但仍未達(dá)到上限，則啟動(dòng)工頻。若已達(dá)到高水位，則PLC輸出低一級(jí)的變頻信號(hào)給變頻器。相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3。

圖3  利用變頻器本身的多段速度控制功能實(shí)現(xiàn)恒壓供水

  (2) 利用壓力傳感器信號(hào)經(jīng)PLC運(yùn)算給出變頻器運(yùn)行頻率設(shè)定信號(hào)
  利用變頻器本身的多段速度控制僅需要水壓上限和下限兩個(gè)信號(hào)，控制方式簡(jiǎn)單，編程方便。但控制精度不高。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器(本項(xiàng)目選擇PMC系列電子陶瓷壓力傳感器)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4～20mA的模擬量信號(hào)送入PLC的擴(kuò)展A/D單元，經(jīng)過A/D變換，利用PLC采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法計(jì)算出此時(shí)變頻器應(yīng)運(yùn)行的頻率，將相應(yīng)的數(shù)字量信號(hào)再通過PLC擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，此時(shí)變頻器工作在Pr.79=2的外部操作模式，由2、5端子之間的電壓值決定其頻率輸出。硬件原理圖見圖4。

 圖4  變頻器頻率由PLC給定硬件原理圖

  由于涉及到PLC的A/D、D/A單元，其軟件編程需注意這兩個(gè)單元初始化的方法及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞�。程序如圖5所示。

圖5  A/D、D/A模塊初始化及數(shù)據(jù)傳送編程

  (3) 利用壓力傳感器給出信號(hào)經(jīng)PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行頻率設(shè)定的方法
  除了3.2(2)中的方法外，目前應(yīng)用較廣泛的是通過傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DC4～20mA的模擬量信號(hào)后，將該信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)過PID儀表將壓力設(shè)定值與傳感器的反饋值進(jìn)行比較計(jì)算后，給出一個(gè)變頻器的頻率給定值。其原理圖如圖6所示。

圖6  PID調(diào)節(jié)器控制原理圖

  經(jīng)過試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，由于供水系統(tǒng)管道長、管徑大、管網(wǎng)的充壓比較慢，故系統(tǒng)屬于一個(gè)大滯后系統(tǒng)，僅采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制并不是最佳選擇，實(shí)際運(yùn)用中采用3.2(2)與3.2(3)相配合的方式將更有利于理想控制的實(shí)現(xiàn)。其硬件如圖7所示。

圖7  PLC與PID調(diào)節(jié)器配合控制方案

4  結(jié)束語
  多泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，它取代了傳統(tǒng)的水塔、高水位箱或氣壓罐，不但大大的改善了系統(tǒng)的性能，而且節(jié)能環(huán)保，具有良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。