【摘要】针对现代高层建筑的供水水压不恒定的问题，本文介绍了一种基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的设计，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。运行结果表明，该系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点。
【关键词】PLC；变频器；恒压供水
1.1背景及意义
随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我国长期以来在市政供水、小区供水、县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。
传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点。不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高、检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面也是非常昂贵的。因此如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，已是迫在眉睫。
1.2 PLC介绍
可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是一种具有微处理器的用于自动化控制的数字运算控制器，可以将控制指令随时载入内存进行储存与执行。可编程控制器由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成。
PLC不仅仅只是要求实现开关量、顺序、逻辑上的控制变量，同时还要求模拟量控制、强大的过程控制功能和远程通讯。PLC采用嵌入式的CPU作为核心装置，再配有输入/输出接口通信等装置，因其在扩展性和可靠性方面的优势故被广泛应用于各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统还是集中分散式控制系统DCS，或者现场总线控制系统FCS中，总是有各类PLC控制器的大量使用。PLC的生产厂商很多，如西门子、施耐德、三菱、台达等，几乎涉及工业自动化领域的厂商都会有其PLC产品提供，故本控制系统中选用了三菱FX2N 48MR PLC。。
1.3变频器介绍
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。该设备主要由整流电路、滤波电路、逆变电路、制动电路、驱动电路、检测电路和微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
由于变频器在调速的范围广、动态静态的精度大、控制效率好、易操作性以及安全系数上面都比以前的调速方法好。因此，变频器是交流电动机最有效的调速策略，这也是电机调速的发展方向所在。变频器不仅拥有着显著的调节速度的能力，还有减少耗能的重大作用，故本控制系统中选用了三菱变频器来实施设计。
1.4基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的总体设计
基于PLC+变频器的恒压供水控制系统主要由水泵，电机，管道和阀门及其他配件组成。通常异步电动机驱动的水泵供水，通过调整异步电机的旋转速度，从而改变了水流大小，进而实现恒压供水。因此，供水系统的本质是关于异步电机的频率控制。
图1 基于PLC+变频器的恒压供水控制系统总体设计图
从图1中可以看出，在系统实际运行过程中，一旦实际供水压力低于给定压力时，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过PLC计算和转换，PID运算出变频器的输出频率，该值即可以减小实际供水压力与设定压力之间的差值。水泵机组在该频率作用下转速增大，从而可以使实际供水压力得到提高，在运行过程之中该过程将被不断重复，直到实际供水压力与设定压力大小近似相等为止。如果在运行过程中，实际供水压力高于设定压力，情况则刚好相反，变频器的电压输出频率将会被降低，水泵的转速将减小，从而使实际供水压力因此而减小。同样的，经过不断的调节，最终将实现实际供水压力和给定压力大小近似相等。
1.5基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的电路设计
1.5.1主电路设计
图2 基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的主电路设计
基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的主电路设计如图2所示。采用1拖3的方式，每台电机水泵既可工频运行，又可变频运行。其中，接触器KM1、KM3、KM5分别用于将各台水泵电动机接至变频器；接触器KM2、KM4、KM6分别用于将各台水泵电动机直接接至工频电源。
1.5.2控制电路设计
PLC的输出Y0~Y3直接连接到变频器的STF、RH、RM、RL上，以控制变频器在5个速度段的运行。Y6~Y13分别控制变频和工频接触器，注意对每一台电动机而言，变频和工频接触器必须在硬件电路中彼此互锁。将3台电动机的热继电器FR1、FR2、FR3并联后接在PLC的输入端子X4上。一旦任意一台电动机过载，就可以切断所有变频器的线圈电路，让电动机和变频器停止运行。PLC输出Y4接变频器的输出禁止端子，是为了电动机在进行工频和变频切换时交流接触器的所有动作停止，保证正确切换。
图3 基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的控制路设计
1.6基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的程序设计
在完成程序设计之前，应先确定PLC的I/O分配表，如表1所示。
表1 基于PLC+变频器的恒压供水控制系统的I/O分配表
根据系统的控制要求，该控制为顺序控制，其中的一个顺序是3台泵的切换，另一个顺序是5段速度的切换，并且这两个顺序是同时进行的，所以可以用顺序功能图的并行流程来设计系统的程序。
1.7结论
通过采用PLC+变频器来完成现代高层建筑的恒压供水控制系统，可以根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按需供水。运行结果表明，该控制系统具有压力稳定，结构简单，工作可靠等优点，具有一定的实用价值。
参考文献：
[1]殷佳琳，王舒华，张文君.基于PLC的变频恒压供水系统设计[J].控制工程，2014（2）：35.
[2]田亚娟，郭丽颖.变频恒压供水PLC控制系统的设计[J].计算技术与自动化，2010（1）：007.