变频恒压供水系统方案设计

摘 要：变频恒压供水系统由PLC、传感器、变频器及水泵机组组成闭环控制系统,经变频器内置PID进行运算,通过PLC控制变频与工频切换,实现闭环自动调节变频恒压供水,代替了传统的水塔供水控制方案.

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一、系统总体方案的设计

1.供水控制系统的结构

供水控制系统的设计主要包括两方面：一方面是机械结构的设计；另一方面是PLC和变频器电气控制方面的设计.

（1）主要组成部分.①压力传感器：作为系统的控制输入量,能否准确采集该信号决定控制系统的精度及可靠性.②控制器：是整个控制系统的核心,通过对外界输入状态进行检测,输出控制量；对外界输入的数据进行运算处理后,输出相应的控制量.例如单片机、可编程逻辑控制器、计算机等.本系统采用西门子的SIMATICS7-200系列.CPU226具有24个输入点和16个输出点,共40个I/O点.③变频器：作为核心控制器的后续控制单元,对终端设备进行控制,最终达到控制要求.本系统主要采用全新一代标准变频器中的风机和泵类变转矩负载专用MM430型变频器.功率范围7.5kW至250kW.具有高度可靠性和灵活性.④水泵：供水系统的执行机构,通过变频器控制电动机的转速,最后达到控制水泵流量大小的要求.

（2）电气控制系统.电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元.在该系统中需要检测较多的数字输入量,并且还要检测模拟量的输入,然后根据设定的程序进行数据处理,供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、供水压力的测量与调节、系统水处理设备运转的监视及控制、故障及异常状况的报警等.电气控制系统安装在电气控制柜中,包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分.

2.恒压供水系统的工作原理

变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标,在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力.设定的供水压力可以是一个常数,也可以是一个时间分段函数,在每一个时段内是一个常数.所以,在某个特定时段内,恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上.

二、恒压供水系统电路设计

1.恒压供水系统主电路设计

系统包括Ml、M2、M3三台水泵电动机,功率分别为45kW、22kW、22kW.该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现恒压控制,具有变频和工频两种运行状态.其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制Ml、M2、M3变频运行,KMl、KM3、KM5分别控制Ml、M2、M3工频运行,FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电动机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3和QS4分别为变频器和三台泵电动机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器；变频器是风机水泵负载专用变频器MM430.

2.恒压供水系统控制电路设计

控制电路的设计包括继电控制电路及PLC控制电路.继电控制电路图设计SA为手动/自动转换开关,SA拨在1的位置为手动控制状态,拨在2的状态为自动控制状态.手动运行时,可用按钮SB1～SB8控制三台泵的启/停和电磁阀YV2的通/断；自动运行时,系统在PLC程序控制下运行.其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制Ml、M2、M3变频运行,KMl、KM3、KM5分别控制Ml、M2、M3工频运行.HL1～HL6为指示灯,其中HLl、HL3和HL5分别指示Ml～M3的工频运行,HL2、HL4、HL6分别指示Ml～M3的变频运行.HL7、HL8分别水位的上下限指示灯,KA为报警电铃.KA1为生活消防转换接触器.HL9为自动运行状态电源指示灯.HL10为报警指示灯.KA2为变频器复位接触器.

三、其他辅助设备的选用和系统电路的设计

要完成系统的控制功能除了需要可编程控制器（PLC）和变频器核心器件外,还需要各种按钮、接触器、传感器等辅助仪器设备的选用,以及电气控制电路的设计.系统的整体硬件框图,该系统主要由PLC、变频器、频率和压力显示器、报警器等构成.另外还有PID调节器、TC时间控制器等.通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关了解和控制系统的运行.通过安装在出水管网上的压力传感器,把出口压力信号变成4～20mA的标准信号送入PID调节器,经运算与给定压力参数进行比较,得出的调解参数送给变频器,由变频器控制水泵的转速,从而调节系统供水量.当用水量超过一台泵的供水量时,通过PLC控制器加泵.当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时,系统能发出报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时系统会自动停机并报警.当变频器故障时,系统会自动停机,此时切换至手动方式,保证系统不间断供水.

（作者单位：南阳技师学院）