PLC-变频器和软启动器在供水加压站中的应用———PLC-变频器和软

一、前言
        随着我国经济的高速发展，城市规模的不断扩大，稳定的水压、优良的水质成了现代人们生活的必需要求。但工业发展对水资源的污染让现代水厂必须远离污染源，都设在了水源的上游，从而导致供水管网过长，在管网的末端水压过低，使得该区域的用户生活受到了影响，于是，设在城市中心或管网末端的供水加压站在城市供水系统中就显得极其重要。另一方面，由于城市人口密集，用水量随机性、变化幅度大，因此，供水加压站的设计即要满足最大负荷（用水量）运行，又要避免负荷变化引起的管网压力骤然增大或减小而破裂的问题。传统控制系统采用频繁地对水泵、电机启停的方法，不但缩短了它们的机械寿命，而且增加了维护和维修的费用，而且造成了电能的浪费。这里介绍一种由PLC-变频器和软启动器的加压供水系统的应用，它能很好地解决了上述的问题。

二、系统概述及工作原理
本文以一个典型的供水加压站为例子，该系统的主要设备配置如下：
         PLC-变频器和软启动器控制系统由1个PLC控制站、2台变频器、2台软启动器、压力变送器、综合保护器、液位计及4台潜水泵等组成，如图1。4 台水泵中2台大泵的流量是5000m3/h，电机为150kW；2台小泵流量3000m3/h；电机为85kW。两台变频器控制1大1小的水泵，两台软启动器控制另外两台水泵。在出水总管上安装有压力变送器探测管网的压力，在清水蓄水池装有液位计，检测水池的液位并将信号送至PLC。每台潜水泵机都配有1台的综合保护器（安装在变频器或软启动机柜内），它收集机组的轴承温度、绕组温度、漏水报警信号、绝缘信号等。
具体工作原理：
        本系统的设计按一大一小的正常运行方式运行，由一台变频器和一台软启动器工作，根据管网的压力增加或减少运行泵的数量，有手动和自动两种工作方式：
（1）手动工作方式
        每台变频器柜和软启动柜在面板上都有手动/自动转换按钮，当打在“手动”档时，可通过柜面的控制按钮进行控制，工作人员可以根据实际情况现场决定开/停水泵，并设为最优先控制级，不受PLC或控制室的控制，以保证检修或出现故障时的安全使用。
（2）自动工作方式
2.1一大一小的运行方式
         根据区域供水条件的要求，加压站的常规供水流量按一大一小运行流量设计，即1台大的变频器加1台小软启动器或1台小的变频器加1台大的软启动器，保证有1台的变频器工作。当用水处于高峰时，用水量增时，管网的压力就会降低，安装在出口处的压力变送器就把压力信号传送到变频器，变频器与给定的压力（可通过电位器或PLC给定）相比较，通过内部PID运算，经过一定时间的延时，如压力继续降低，则变频器调节输出频率，提高水泵的转速，直至压力升高到给定值，然后继续稳定工作。如在延时时间内，管网的压力恢复，则输出频率不变。如用水量小，压力上升，同样变频自动调节输出频率，直至达到压力稳定为止。这样，给定压力-变频器-反馈压力-给定压力就形成了单循环闭环控制系统，通过调节变频器输出频率的来调节水泵的转速，达到恒压供水的目的。


2.2多泵或单泵运行方式
         当系统在一大一小运行达到满负荷时，即变频器工作在工频50Hz时，PLC即可对其进行计时，若在一定的时间段内，压力仍小于给定的压力，PLC就自动启动另处一台变频器或软启动器，变频器再自动调节输出频率，直到压力达到给定值，如运行的变频器输出频率已在50Hz，压力还达不到要求，则要启动最后一台水泵，直至压力上升到给定值。
        而当系统在一大一小的方式运行，而变频器的输出频率低于某一值（一般为30Hz左右）时，管网的压力仍高于给定的压力，PLC也自动启动计时器，在一定的时间段内，如果压力仍高于给定值，PLC就自动停止软启动器的运行，由单台的变频器运行，直至压力降低为止。

2.3PLC的工作
        PLC在本系统中主要通过RS485通信接口读取变频器、软启动器上传的频率、压力及各水泵的故障信息等，并依此对水泵的开/停进行控制，同时记录每台水泵的运行时间，对高低压配电系统如绝缘、过压、过流等监测。

2.4故障的处理
         在供水加压站的设备不多，所以最主要的故障来源于潜水泵和变频器或软启动器本身。由于每台的潜水泵都由配有单独的综合保护器，当潜水泵发生故障如轴承温度、绕组温度、漏水、绝缘报警时，综合保护器就会根据故障的类型、或轻重程度决定是否先停止运行该潜水泵，同时将故障信号传到变频器或软启动器，再通过变频器或软启动器RS485接口报知PLC，在PLC系统发出停止信号和发出声光报警，以通知工作人员及时处理。而变频器或软启动器本身故障时，也通过RS485的接口上传故障信号至PLC，PCL发出报警信号并自动发出停止信号。

三、系统主要设备的配置及PLC软件设计
（1）变频器和软启动器的配置
        在一般的控制系统中变频器的输出频率是通过PLC来控制，即由PLC采集压力信号，并进行PID运算，然后再输出频率信号，变频器根据此信号来决定输出。在本系统中采用了变频器自身控制的方法，变频器用的是CFC-1000系列产品，软启动器用的也是施耐德CMC-S系列产品，这种型号的变频器内部自带PID调节器采用了优化算法，它可以接受现场压力传感器的4-20mA的标准模拟信号，与给定的压力参数比较，调节输出，平稳地控制了管网的压力。由于PID运算在变频器内部，就可省去了对PLC存储容量 和PID算法的编程，降低了成本，提高了生产效率。
（2）PLC控制系统的配置
         由于PLC在本系统中只承担“总监总控”的角色，而且PLC与变频器和软启动器的通信是通过RS485接口进行，所以配置较为简单，除CPU模块、通信模块、电源模块外，只配置了16点的开关量输入模块1块，8点模拟量输入模块1块，主要的输入信号来源于配电系统中的开闸合闸、手动/自动、电流、电压、有功功功率、无功功率等，所以对PLC的配置要求不高。
（3）PLC软件的设计
3.1开停泵的程序
         根据出水管压力和水池的水位高低来确定开泵台数，实现恒压控制。即当出水管压力低于设定压力时，增加开泵的台数；当出水管压力高于设定压力时，减少开泵的台数。
3.2系统控制和报警记录程序
          系统的总控制由PLC来完成，记录每一台机组的运行时间，当达到一定时间段时，按“先投先切”和“先切先投”的方式，自动轮流切换。PLC还接受变频器、软启动器和潜水泵的报警信号，并按情况决定是否停止该机组的运行，并把报警时间、类型等信息记录，以便日后的查询。

四、系统的优点
         本系统由于采用了PLC+2变频器+2软启动器的控制方式，与相应的PLC+4台变频器控制的系统相比，用户节省了给每台水泵配置变频器大成本（毕竟变频器比软启动器贵好多），而且PLC配置低，程序简单，也同样也达到由单台运行到多台运行采用变频控制的多种运行方式，达到恒压供水的目的。由于变频器的运用，也没有了因为电气设备频繁的启停操作而导致的寿命减短的问题。因此，该系统具有了节资、节能、节水的目的。

五、结束语
         在供水系统中目前广泛地采用了变频调速的方法，也有很多的控制方法，但最终的目的也是只有一个：即恒压又节资、节能。相信随着技术的不断更新和成熟，也不断有新的方法出现，本文者只是根据所在的公司在供水加压站的应用实例写出，希望借此能同大家共同交流和探讨。