PLC变频技术在加压泵站供水系统中的应用

鲍海琛

(宁夏宁东水务有限责任公司，宁夏 银川 750000)

传统加压泵站供水控制系统由于存在控制线路复杂、功耗高、灵活性差、维护工作量大以及远程控制能力弱等问题，导致供水系统自动化与调度管理水平不高。随着可编程控制与变频技术在工控领域的应用和发展，建立基于PLC变频技术的加压泵站自动控制系统成为解决这一问题的有效途径。PLC变频技术具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高、故障率低、调速精度高以及保护功能多等一系列优点，因此在供水行业中得到了广泛应用，实现了供水的实时监测和控制，从而保障了供水过程的连续性，节省了大量人力、物力，实现了少人值班，无人值守的目标。

1 PLC变频技术

PLC是一种可编程的存储器，它通过电源、中央处理单元、存储单元、输入输出单元等构成一套完整的控制系统。变频器是利用半导体器件的通断作用，将工频电源变换为各种频率的交流电源，实现电机变速运行的设备[1]。PLC变频技术是PLC接收变频器发出指令后分析指令，并将指令编程，再将编程后指令发送至变频器，实现电机整体运行和自动控制。PLC控制变频器的方式主要有三种形式：

(1)PLC的模拟量控制。在PLC加数模(DA)转换模块，通过输出A/D模块的输出端子与变频器的模拟量控制端子连接，由PLC内部程序进行不同状态的组合控制，将PLC数字信号转换成电压或电流信号，输入到变频器的模拟量控制端子，对变频器进行频率调速控制。这种控制方式接线简单，可以实现无级变速，但存在调速精度低，数模转换模块较贵缺点[2]。

(2)PLC的开关量控制。将PLC的输出端子与变频器的多功能端子连接，在变频器中多功能端子设定参数，通过PLC输出端子的闭合和断开的组合，将频率指令和变频器输入端子功能选择进行有机组合，实现对单台或多台电机的变频调速。这种控制方式响应速度快，抗外界干扰能力强，但不能无级调速[3]。

(3)PLC的通讯方式控制。采用Modbus通信协议的RS-485或RS-232接口直接和PLC通信端口连接，利用通信网络将PLC与变频器连接，通过PLC的程序控制，实现变频器参数的读取、写入、各种运行的监视和控制。这种控制方式可以通过串行接口设置和修改变频器的参数，具有无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好等优点。但通讯需要解决数据编码、求取校验和、成帧、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等技术问题[4]。

2 PLC变频技术在加压泵站供水系统的应用优势

2.1 操作性强及自动化水平高

PLC变频技术在加压泵站供水系统应用中，PLC通过编写逻辑关系以及设定相关参数对变频器进行控制，可以根据供水系统压力的实际需求控制水泵电机的转速，满足供水系统快速启动、恒压供水的要求。PLC变频器功能强，操作灵活，实用性好，提高了供水系统的自动化水平。

2.2 安全性及可靠性强

由于PLC与变频器内部采用了数字控制技术和模块化、标准化的设计，具有较强的抗干扰能力，因此安全性较高。PLC变频器具有故障分析功能，能够清晰地显示故障出现的位置，可帮助工作人员缩短故障修复的时间，进一步提高了供水系统的可靠性。通过PLC控制变频与工频切换，使供水系统运行在合理工况状态，保证了按需供水[5]。

2.3 具有较高性价比

应用PLC变频技术可根据供水系统压力值自动控制水泵电机转速，能够降低电机电能损耗，并且减小启动时对电网冲击。PLC体积较小、集成程度高，结构简单，维护简单方便，可实现供水的实时监控和控制，保障了供水的连续性，降低了工作强度和维护成本。

3 PLC变频技术在加压泵站供水系统中的应用

3.1 PLC变频加压泵站供水系统设计

PLC变频加压泵站供水系统由可编程控制器、变频器、水泵电机、流量压力传感器、液位计、上位机等构成。采用变频器控制的闭环控制系统，通过对系统管网压力、流量、水泵转速等运行数据进行实时采样，经与PLC程序中设定的水压值进行比较，变频器根据PID运算得出频率调节信号来控制水泵电机的转速，实现恒压变量的供水。

图1 加压泵站系统控制框图

3.2 PLC变频加压泵站供水系统的主要功能

(1)具有水泵自动变频启动功能。根据供水系统用水量、压力要求自动调节水泵转速及工作水泵台数。

(2)具有自动控制供水系统运行功能。自动控制状态时，水泵自动轮换变频或工频运行；工作泵出现故障时备用泵自动投入运行，可转换自动或人工手动开、停机。

(3)具有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路等安全保护功能，以及前池缺水保护停机、水位恢复开机功能。

(4)具有变频器、电机工况发生故障指示及防误操作等功能。

(5)具有系统压力流量、电机电流、水泵转速等运行数据监测、自动采集功能，以及后台数据实时显示、存储设定、运行分析、报表查询、能耗汇总、打印输出等功能。

3.3 PLC变频技术在加压泵站供水系统的应用

3.3.1 供水系统开关量控制

PLC开关量控制在供水系统中作为一项十分重要的环节，包括阀门的开关、水泵的启停等设备控制输出和状态反馈，在机组做好开机准备工作后，上位机给PLC发送一键开机命令，PLC通过其内部开关量的逻辑和顺序控制输出“开进水阀-启动水泵电机-开出水阀”的开关量信号至设备控制回路实现对水泵的启停操作以及信号反馈。这种控制模式简化了工作人员在加压泵站运行时的操作程序，提高了设备的运行质量和效率[6]。

3.3.2 供水系统压力控制

供水系统中用户的用水量是不断变化的，因此供水不足或供水过剩的现象时有发生。PLC变频恒压供水系统是以用户或者管网的压力作为参考值，采用压力传感器来检测水压，然后将检测到的信号送到变频器PID回路，经过变频器PID回路处理之后，根据输出频率信号来调节水泵电机的转动速度，达到管网水压的自动调节作用，让供水系统的输出水压能够跟设定的压力值保持一致。当管网用水量增大到变频器全速运行并且不能达到管网的正常压力时，压力传感器的信号与变频器的信号一起被PLC检测到，PLC会将在原变频状态下的水泵投入到工频运行，以保持压力的持续性，同时将一台备用的泵以变频状态启动后投入工作，以加大管网的供水量，确保压力正常。当用水量减少时，首要表现为变频运行的水泵的频率将自动降低，这时管道压力值出现过高，PLC将工频作业的水泵停运，以削减供水量，由一台以变频运行的水泵恒压供水，实现高效节能供水[7]。

3.3.3 供水系统水量控制

水量控制是指将水量的变化与阀门的调节或者水泵的启停、增减互相配合的一种运行上的控制方式，其主要通过现场传感器设备将数据采集到PLC，并经PID运算后对供水系统中可设备实行相关控制操作。如加压泵站里水泵在运行过程中需要抽取前池的水量，导致前池液位降低，为保证不中断用户供水，需要开启进水阀向前池补水，此时，前池液位传感器会将液位的模拟信号输入给PLC设备，通过PLC程序逻辑运算后，将计算得出的数据通过模拟输出信号至进水调节阀的控制回路，并使进水阀门自动调节开度向前池补水，若前池液位高度达到PLC内设定最上限时，PLC会下发关闭进水阀命令，停止向前池进水，防止前池溢流，保障泵站各设备安全运行。

3.3.4 供水系统数据采集

为实现水泵机组的自动化控制，以及运行人员对设备操作和运行工况的实时监视，确保设备的完好率和可用性，在水泵运行过程中，存在大量的物理量数据需要采集上传。如水泵进出口压力、轴承温度、水泵转速、供水流量、蓄水池液位等，它们都是连续变化的模拟量，为了采用PLC测量或控制连续变化的模拟量，就需要使用传感器或变送器等，变送器可将传感器检测到的信号变化量转换为标准模拟信号，并将模拟信号接到PLC模拟输入模块上。在此基础上，PLC模拟量模块与上位计算机或触摸屏利用以太网相连接，运行人员既可以观察这些数据的当前值，又能及时进行统计分析[8]。

4 结 语

采用PLC变频技术的加压泵站供水系统具有功能完善，运行稳定，可靠性高的特点，节能效果显著，可实现远程操作，减轻了操作人员的劳动强度，优化了调度操作效率，扩大企业经营效益，具有很高的应用推广价值。