ＰＬＣ控制变频调速恒压供水系统
摘要：本文介绍了一种利用三菱变频器内部的PID功能的PLC控制恒压供水系统，该系统较好地解决了高层建筑生活、消防等供水需求，实行自动恒压供水，具有明显的经济效益和一定的推广应用价值。

关键词：恒压供水变频调速PLC PID控制
一、引言
随着变频调速技术的发展，变频恒压供水系统已逐渐取代传统的供水系统,广泛应用于高层建筑、工业、消防、住
宅小区的生活供水系统。

与传统的恒速泵供水系统、水塔高位、水箱供水系统相比，变频调速压供水系统具有供水质量高、灵活性强、能耗少、无水锤效应等优点，从而获得了广泛的应用。

二、恒压供水要求和工作原理
1.恒压供水要求
根据用水量的变化（实际是压力的变化）自动调节系统的运行参数，在用水量变化时保持水压恒定。

2.恒压供水的工作原理（见图1）
恒压供水系统为闭环控制系统，其工作原理为：供水的压力通过传感器采集给系统，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量转换成数字量，同时变频器的A/D将压力设定值转换成数值量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置，进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式控制输出。

PID控制模块具有比较和差分的功能，供水的压力低于设定压力，
变频器就会将运行频率升高，相反则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。

PLC根据水压情况一方面控制水泵变频与工频的切换，另一方面控制水泵的工作数量。

三、系统介绍
1.系统组成
控制系统由一台三菱FR—A540型变频器、一台三菱FX2N-32MR可编程序控制器、压力传感器、显示报警装置及2台水泵和电气控制柜组成。

2.变频器的控制过程
变频器采用三菱FRA540型变频器，该变频器配有PID功能。

通过外部电位器作为压力给定值，安装在出水总管上的压力传感器反馈来的压力信号（4∽20mA）作为压力反馈至变频器的辅助输入端4端、5端。

变频器时刻跟踪管网压力与设定压力值之间的偏差变化情况，经变频器内部PID运算，调节变频器的输出频率，改变水泵转速。

并通过PLC控制水泵工频供电与变频器供电的切换，自动控制水泵运行的台数，实现闭环控制，使水压保持恒定。

系统主回路构成（如图2所示），变频器控制回路（如图3所示）。

FU为变频器输出频率上限到达信号端，该信号进入PLC，作为水泵变频与工频切换的控制信息之一，上、下限输出频率可通过变频器面板设定。

系统开始工作时先由变频器软起动1台变频泵，变频器将反馈压力与给定压力进行比较，经PID运算调节变频器输出频率。

当用水量较大时，变频器输出频率到达48HZ时，而水压仍达不到给定压力值时，将变频泵切换为工频（电网电压直接驱动）进行，变频器再软起动另一台变频泵，实现一台工频一台变频双泵供水。

当用水量下降时，变频器输出频率下降，当降至频率下限（20HZ）时，且压力仍能达到给定压力值时，由PLC将1台工频泵切除，只由变频泵供水直至满足要求为止。

无论单泵变频工作，还是双泵一台工频一台变频工作，系统均以水管压力与给定压力保持一致为原则，时刻采样上、下限频率信号和压力反馈信
号，通过PLC判断并输出相应的指令，控制水泵工作的模式。

3.变频器的参数设置：变频器的参数设定有一定规律可循，主要从
供水系统的特性、水泵为平方律负载等方面来考虑，变频器的参数设定注意如下几点：
3.1上限频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方律增加。

因此变频器的工作效率不允许超过额定频率，最高只能和额定频率相等。

3.2上限标志频率：一般来说，以等于额定频率为宜，但变频器内部往往具有转差补偿功能，因此也可设置略低些。

3.3下限标志频率：在供水系统中，转速过低，会出现水泵有全扬程小于实际扬程，形成“水泵”空转的现象。

所以，下限频率不宜太低。

3.4 PID参数：PID参数的选择，须保证系统运行稳定、动态响应快、静差小。

调试中，要观察供水系统压力检测点的实际测量值，维持系统的稳定性。

参数设置如下：
Pr.1=50 (上限频率设为50Hz)Pr.2=15 （下限频率设为15Hz）
Pr.7=12S（加速时间设为12S）Pr.8=12S（减速时间设为12S）
Pr.128=20 (PID控制为4端输入，起负作用) Pr.9=9.5 （电子过流保护）
Pr.129=100 （PID比例常数设定为100%）
Pr.130=1（PID积分常数设定为1S）Pr.134=1（PID微分常数设定为1S）
Pr.183=14 （RT端子功能设定为“PID控制有效端”）
Pr.193=4（OL端子功能设为“Pr42的频率检测”下限频率）
Pr.194=5（FU端子功能设为“Pr50的频率检测”上限频率）
Pr.42=10（下限标志频率为20Hz）
Pr.50=50（上限标志频率为48Hz）
注：变频器处于PID运行时，须将SD和RT端子短接。

4.PLC的选型与接线
4.1选型
根据I/O点数、类型以及控制要求，选用三菱公司的FX2N-32MR-001作为主控基本单元，它共有32个I/O口，16个开关量输入口，16个输出口，存储容量大（16K）、运行速度快（基本指令0.08μs/指令）、通过RS232C通信板可与个人电脑连接，在线改变程序不会损失工作时间或停止设备运转，程序设计测试方便，可为恒压供水系统的应用提供最大的灵活性和控制能力。

4.2 I/O分配表（见表1）
4.3 I/O接线图（见图4）
5.PLC程序设计
5.1供水控制流程图（见图5）
5.2程序设计要求
系统整个工作过程采用“先起先停，后起后停”的循环过程，使各水泵轮流休息及软起动。

具体要求如下：
（1）开始时先起动1台泵变频运行，当水泵的转速达到变频器设的上限频率48Hz,水压还没有达到所设定值，PLC控制器自动把变频运行泵切换到工频运行，同时另一台泵起动变频运行，满足用户大量用水的需求。

当用水量减少，压力还偏高时，要求自动切除工频运行水泵，恢复一台变频水泵运行到稳定状态，实现“先起先停，后起后停”。

（2）定时自动切换
在系统设计时，为了避免一台泵经常工作，而另一台泵经常停歇，甚至春季受潮和生锈的情况，在电路中设计了泵组定时轮换功能。

如遇到两台泵在运行时（一台变频运行和一台工频运行）定时转换功能无效，转换时仅限于在一台水泵变频运行的状态下进行。

（3）每台水泵的变频运行和工频运行要有电气互锁，在软件程序中，Y1与Y2，Y1与Y3，Y3与Y4之间在程序中都进行了互锁，避免它们之间同时有输出，否则就会发生变频器同时拖动两台水泵或工频电源直接串入变频器输出端U、V、W而损坏变频器等严重事故。

（4）可选择自动和手动两种工作方式，两台水泵均能手动独立运行。

当选择手动工作方式时，可分别通过SB3、SB4、SB5按钮控制水泵在工频下的运行与停止，这主要用于变频器定期检修或出现故障时的供水。

（5）设有相应的保护措施，变频器端子A、C为变频器故障报警输出，当变频器有故障时，输出继电器Y0动作，切断变频器的输入电源，起到保护作用。

同时还具有过载保护，并可在停电后恢复自动起动。

（6）对系统的手动与自动运行状态以及两台泵的变频与工频状态进行相应信号指示。

四、结束语
应用三菱FR-A540变频器内置PID功能的PLC控制恒压供水系统，效率高，损耗小，调速供水节能效果突出，运行稳定，可靠性强，抗干扰能力强，精度高，响应快，体现了变频调速恒压供水的技术优势，取代水塔、水箱等，实现恒压供水，成为供水网的理想产品。

参考文献：
[1]李良仁，2004.变频调速技术与应用.电子工业出版社。