1 引言
恒壓供水在城市自來水管網系統、住宅小區生活消防用水系統、樓宇中央空調冷卻循環水系統等眾多領域中均有應用。恒壓供水是指用戶端在任何時候，不管用水量的大小總能保持管網中水壓的基本恒定。在恒壓供水系統中可根據壓力給定的理想值信號及管網水壓的反饋信號進行比較，變頻器根據比較結果調節水泵的轉速，達到控制管網水壓的目的。本文介紹基于PLC控制的多臺水泵循環變頻恒壓供水系統的設計方法。
2 控制要求
某中心給水泵站擔負周邊高層小區的生活用水二次加壓任務。包括3臺22KW生活水泵、1臺7.5KW夜間補壓水泵。3臺生活水泵用水高峰時段需要工作在“1工1變”狀態，其它時段工作在“1變”狀態，深夜用水低谷僅用7.5KW補壓泵工作在工頻即可。
3 系統設計
該系統主要由三菱FX-2N系列PLC控制器、三菱FR-A540變頻器、PID調節器、壓力變送器、浮球水位計（開關）、低壓電氣設備及水泵組成。
3.1主回路設計
采用一拖多的方式，每臺電機水泵既可工頻運行又可變頻運行。主回路如圖1。
圖1 主回路圖
變頻器用水高峰期3臺水泵一臺工頻運行一臺變頻運行另一臺處于待機狀態，并每周循環一次，既便于維護和檢修作業，又不至于停止供水。利用PLC編程可實現此功能。狀態轉換圖如圖2。一般用水時段有一臺水泵處于變頻狀態，其中應特別注意，為了保護機電設備在工頻——變頻狀態切換過程中應先將變頻器輸出停止，延時1s時間后再啟動，此時可能會出現短暫失壓現象，但實際應用中這種影響并不明顯。
圖2 多泵循環的PLC編程方法
3.2 變頻器頻率（速度）設定的方法
（1）利用變頻器本身的多段速度設定法
三菱FR-A540變頻器本身有多段速度的設定功能，以七段速度為例，七段調速如下表：
操作模式：Pr.79=3
速度段 1 2 3 4 5 6 7
運行頻率 15HZ 20HZ 25HZ 30HZ 35HZ 40HZ 45HZ
變頻器
參數設定 Pr.4=15 Pr.5=20 Pr.6=25 Pr.24=30 Pr.25=35 Pr.26=40 Pr.27=45
接點 RH RM RL RM、RL RH、RL RH、RM RH、RM、RL
相應PLC I/O分配 Y11 Y12 Y13 Y12、Y13 Y11、Y13 Y11、Y12 Y11、Y12、Y13
表1 變頻器七段速度表
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這種控制方式下，當前水位若在下限則PLC輸出高一級的變頻信號給變頻器，當七段速度均啟動工作但仍未達到上限，則啟動工頻。若已達到高水位，則PLC輸出低一級的變頻信號給變頻器。相應的狀態轉換圖如圖3。
圖3利用變頻器本身的多段速度控制功能實現恒壓供水
（2）利用壓力傳感器信號經PLC運算給出變頻器運行頻率設定信號
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信號，控制方式簡單，編程方便。但控制精度不高。通過安裝在出水管網上的壓力變送器（本項目選擇PMC系列電子陶瓷壓力傳感器），將壓力信號轉換成標準的DC4~20mA的模擬量信號送入PLC的擴展A/D單元，經過A/D變換，利用PLC采用經驗數據方法計算出此時變頻器應運行的頻率，將相應的數字量信號再通過PLC擴展D/A轉換單元，轉換成電壓信號，此時變頻器工作在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單元初始化的方法及數據傳輸的方式。程序如圖5。
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圖5 A/D、D/A模塊初始化及數據傳送編程
（3） 利用壓力傳感器給出信號經PID調節器進行頻率設定的方法
除了3.2.（2）中的方法外，目前應用較廣泛的是通過傳感器將壓力信號轉換成標準的DC4~20mA的模擬量信號后，將該信號送入PID調節器，經過PID儀表將壓力設定值與傳感器的反饋值進行比較計算后，給出一個變頻器的頻率給定值。其原理圖如圖6。
圖6 PID調節器控制原理圖
經過試驗比較發現，由于供水系統管道長、管徑大、管網的充壓比較慢，故系統屬于一個大滯后系統，僅采用PID調節器進行控制并不是最佳選擇，實際運用中采用3.2.（2）與3.2.（3）相配合的方式將更有利于理想控制的實現。其硬件如圖7所示。
圖7 PLC與PID調節器配合控制方案
4結束語
多泵循環變頻恒壓供水系統的應用越來越廣泛，它取代了傳統的水塔、高水位箱或氣壓罐，不但大大的改善了系統的性能，而且節能環保，具有良好的技術和經濟效益。
