基于PLC的恒压供水系统的设计
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摘 要：本文设计一套基于三菱FX-3U系列PLC 控制的恒压供水系统。该恒压供水系统，采用一台三菱A700的变频器控制三台水泵循环运行，以管网的实际压力为控制对象，实时采集管网压力，通过三菱模拟量模块传输给PLC，使用PID 调节器形成闭环恒压变频控制系统，来控制变频器频率的改变输出，以此来调节水泵电机的转速，使管网的实际压力维持在预设压力值。调试结果表明，当管网压力达到1.2MPa时，变频器输出频率为61Hz，三台电机都处于变频运行，此时调节水压是最稳定的。实验表明，该系统具有结构简单、压力输出稳定，节能等优点。
关键词：PLC 变频器 PID调节 恒压供水
中图分类号：TD63 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0085-03
Abstract： This paper designs a set of constant pressure water supply system based on Mitsubishi fx-3u series PLC. In the constant pressure water supply system， a Mitsubishi A700 frequency converter is used to control the circulation operation of three water pumps. Taking the actual pressure of the pipe network as the control object， the pressure of the pipe network is collected in real time， transmitted to PLC through the Mitsubishi analog quantity module， and PID regulator is used to form a closed-loop constant pressure frequency conversion control system to control the frequency change output of the frequency converter， so as to regulate the rotation speed of the pump motor and make the pipe The actual pressure of the network is maintained at the preset pressure value. The experiment shows that the system has the advantages of simple structure， stable pressure output and energy saving.
Key Words： PLC; Frequency converter; PID regulation; Constant pressure water supply
傳统的自来水厂供水是由若干台水泵组成的，工人根据各时间段的用水量手动调整工作水泵的数量。随着我国经济的发展，建筑技术水平的提升，建筑楼层越来越高，高楼层供水的问题越来越重要，水压不稳定时有发生。传统的供水方式一般采用高层蓄水、水泵恒速加压等。存在供水的效率比较低，自动化程度较低，系统可靠性较差，尤其是在用水高峰期时出现高层用户水压不够，无法正常用水的现象。
因此，本文设计一套基于三菱FX-3U系列 PLC控制的，结合PID调节器，并采用三菱变频器调节水泵电机的转速来保持管网压力恒定的自动控制恒压供水系统。本系统能够实现手动和自动多种操作方式的恒压变频供水系统。系统设计目的是通过自动控制系统改善供水系统传统调控中的调控效率低、可靠性差、成本高的问题，降低能源的消耗，提升效率。
1 系统总体设计
变频恒压供水的基本思路是采用变频调速技术，通过压力传感器和压力控制系统，把管网的实际压力的变化情况转换成标准的电信号（过程变量），再把这个电信号输入到具有PID调节功能的控制器（PLC或智能仪表等），与控制器的设定值进行PID计算后，输出标准的电信号作为变频器的调节信号，进行变频调速，对泵的运行速度进行控制，达到恒压供水的目的[1]。图1描述了这一过程。
该恒压供水系统由PLC控制器、A/D模拟量模块、触摸屏、继电器、变频器、压力传感器、液位传感器、三相异步电动机、压力罐、阀门等组成。系统流程图如图2所示。
2 系统硬件设计与实现
（1）主电路。
本文设计的控制系统由一台变频器控制3台水泵电机工作，当控制系统处于自动控制模式时，水泵只能通过变频电源工作，此时由接触器KM2、KM4、KM6控制电机的启停;当处于手动控制模式时可以通过工频电源运行，此时由接触器KM1、KM3、KM5控制电机的启停。3台水泵电机分别通过接触器与变频器的输出电源相连接，每台水泵电机都具有热继电器实现过电流保护的功能。系统主电路如图3所示。
（2）控制电路。 系统的自动控制功能是通过PLC控制器实现的，模拟量模块实现压力的采集和设置，并输出模拟量控制变频器的频率，变频器控制3个水泵电机运转的速度，从而控制管网的压力。系统控制电路图如图4所示。
3 系统软件设计
本文设计应用三菱FX-3U型PLC完成系统整体程序设计，程序主要由手动程序和自动程序两部分组成。系统流程图如图5所示。
手动模式下，可以利用按钮控制各台水泵在工频状态的启动和停止;
自动模式下，设定PUMP1为变频泵，进行PID调节实验。系统投入运行后，首先PUMP1投入变频运行，当反馈压力低于设定压力（变频器一直运行在50HZ）时，5S后PUMP2投入工频运行，此时变频器的频率随PLC的调节，频率下降，如果此时反馈压力仍低于设定压力（变频器一直运行在50Hz），5S后启动PUNP3进入工频运行状态，直到反馈压力与达到设定压力值;变频运行过程中，调节出水阀门，使远传压力表的压力恒定在预期设定值。当3台水泵均处于运行状态后，渐渐关闭调节阀1，使用水量减少，水泵PUNMP3首先自动切除，随着调节阀2继续关闭，BUMP2自动切除，直到PUMP1自动调节到调解阀1完全关闭为止。
PID调节过程中，用一组0-5V的可调直流电源设定预期工作压力;变频运行过程中，调节出水阀门，使远传压力表的压力恒定在预期设定值。当3台水泵均处于运行状态后，渐渐关闭调节阀1，使用水量减少，水泵PUNMP3首先自动切除，随着调节阀2继续关闭，BUMP2自动切除，直到PUMP1自动调节到调解阀1完全关闭为止。
以晚高峰，用水量非常大，需要3台水泵全部运行进行举例分析。首先PUMP1泵工频运行，当用水需求量增大时，如PUMP1泵频率达到50Hz，水压还是不足，则延时30s后，将PUMP1泵设为工频运行。同时，将PUMP2泵设置为变频运行，逐步提高输出频率，当PUMP2泵频率达到50Hz，水压依然不足，则延时30s后，将PUMP1、PUMP2两个泵都设置为工频运行，同时，将PUMP3泵设置为变频运行。相反，当用水量减小时，各水泵逐渐停止工频运行[9]。
4 结语
本文设计的恒压供水系统，是基于PLC和变频器的闭环恒压变频供水系统。该系统利用PLC和变频器对供水系统进行逻辑控制和压力调节，使用PLC调节器进行运算得到调节参数，从而实现变频和工频之间的切换，自动调整水泵电动机的转速和水泵电动机投入的台数，实现了恒压供水。实验结果表明，该系统结构简单、起动平稳、压力稳定，同时还具有良好的节能效果。
参考文献
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