日常的生活用水量隨季節(jié)、晝夜、上下班的時(shí)間不同而有較大變化，因而經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡，主要表現(xiàn)在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。某公司住宅區(qū)由于自來水管網(wǎng)的水壓較低，自來水通常不能到達(dá)住宅的較高樓層。要用水泵再次將水送至樓頂?shù)母呶凰洌俟?yīng)給用戶。但是，這種二次供水方式不可避免造成污染，影響居民的身體健康。為保證小區(qū)的供水正常，我們利用PLC，配以不同功能的傳感器，根據(jù)網(wǎng)管的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力始終保持在合適的范圍。這種變頻恒壓供水系統(tǒng)直接取代水塔、高位水箱及傳統(tǒng)的氣壓罐供水裝置。另外水泵耗電功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比關(guān)系，所以水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省40％。結(jié)合使用可編程控制器，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)變頻，電機(jī)軟啟動(dòng)，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了設(shè)備的使用壽命。
       1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

       (1)原理
　　系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，壓力傳感器將主水管網(wǎng)水壓變換為電信號(hào)，經(jīng)模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，PLC給定的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將下一臺(tái)備用泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，再將一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效，這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述2個(gè)信號(hào)仍存在時(shí)，PLC再停掉第2臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到最后一臺(tái)泵用變頻器恒壓供水。
　　所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來控制，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊，相對(duì)延長了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。
      (2)系統(tǒng)硬件

　　系統(tǒng)選用了西門子公司的S7-214PLC，輔以輸入/輸出擴(kuò)展模塊組成，主要檢測(cè)元件有光電開關(guān)、壓力檢測(cè)開關(guān)，共計(jì)12個(gè)輸入信號(hào)。執(zhí)行部件有電機(jī)、變頻調(diào)速器、聲光報(bào)警器等，共3個(gè)輸出點(diǎn)。PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警、控制變頻器完成壓力調(diào)節(jié)等功能。3臺(tái)水泵由變頻器直接驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行恒壓控制，變頻器的起動(dòng)、停止分為手動(dòng)和PLC控制?？刂泼姘迳显O(shè)有一個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，PLC對(duì)該開關(guān)的狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)選擇手動(dòng)功能時(shí)，PLC只進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換。當(dāng)選擇自動(dòng)功能時(shí)，所有控制、報(bào)警均由PLC完成?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示。
        2　系統(tǒng)軟件
　　為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警模塊組成。
       (1)手動(dòng)運(yùn)行模塊
　　當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC只接收各電路保護(hù)信號(hào)和各傳感器信號(hào)，并由此判斷各工作水泵的運(yùn)行狀態(tài)，在出現(xiàn)故障的情況下，輸出報(bào)警信號(hào)。水泵的起、停和切換由人工通過面板上的按鈕和開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。
       (2)自動(dòng)運(yùn)行模塊
　　自動(dòng)運(yùn)行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開機(jī)命令的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子程序、置初值子程序、電機(jī)控制子程序等。模塊流程圖如圖2所示。其中：數(shù)據(jù)采集子程序完成對(duì)主水管壓力的數(shù)據(jù)采集。

　　控制量運(yùn)算子程序完成變頻器控制量的計(jì)算和控制量的輸出，其中控制量的計(jì)算按PID控制規(guī)律進(jìn)行。
　　電機(jī)控制子程序完成對(duì)3臺(tái)水泵的運(yùn)行和停止控制。由于變頻器的輸出頻率與水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度直接相關(guān)，用水量大時(shí)，變頻器輸出頻率升高，水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度大；用水量小時(shí)，頻率降低，水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度小。因此程序根據(jù)變頻器的輸出頻率的大小就可以判斷和控制水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)頻率上升到50 Hz(即水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí))仍不能滿足供水需要時(shí)，則PLC自動(dòng)將第一臺(tái)泵切換到工頻運(yùn)行；第2臺(tái)泵由變頻器供電投入運(yùn)行，如果第2臺(tái)泵電機(jī)達(dá)到滿轉(zhuǎn)速時(shí)仍不能滿足供水要求，則PLC自動(dòng)將第2臺(tái)泵切換到工頻運(yùn)行，第3臺(tái)泵由變頻器供電投入運(yùn)行，依此規(guī)律逐個(gè)投入運(yùn)行；當(dāng)2臺(tái)泵都處于工頻全速運(yùn)行方式，第3臺(tái)泵處于變頻運(yùn)行工作方式時(shí)，如果此時(shí)用水量減小，變頻器輸出頻率下降，當(dāng)頻率到達(dá)一定的下限Fmin時(shí)，供水量仍大于用水量，則系統(tǒng)自動(dòng)將第三臺(tái)泵停止運(yùn)行。同樣，第三臺(tái)泵停機(jī)后，如果此時(shí)供水量還大于用水量，則系統(tǒng)自動(dòng)將第二臺(tái)泵停止運(yùn)行，依此類推。
       (3)故障診斷和報(bào)警輸出模塊

       變頻器具有短路、過載等保護(hù)功能，當(dāng)變頻器所驅(qū)動(dòng)的水泵電機(jī)發(fā)生短路、過載等故障時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷一次供電回路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)把各故障點(diǎn)相應(yīng)的接觸器、斷路器等元件的輔助觸點(diǎn)接到PLC，PLC掃描輸入這些觸點(diǎn)的狀態(tài)，并通過PLC程序?qū)⑦@些狀態(tài)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，再結(jié)合控制程序和設(shè)備預(yù)置狀態(tài)進(jìn)行邏輯分析，判斷設(shè)備或元件是否出了故障，如果發(fā)生故障，則切斷該泵的接觸器，然后對(duì)變頻器復(fù)位，再將備用水泵的接觸器接通，啟動(dòng)變頻器運(yùn)行備用泵，同時(shí)輸出該泵故障報(bào)警信號(hào)。如電機(jī)故障指示燈亮等。各I/O點(diǎn)對(duì)應(yīng)的故障信息如表1所示，報(bào)警回路梯形圖如圖4所示。
       3　結(jié)語
　　變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求。另外，S7-214PLC基本單元提供一個(gè)RS-485接口，可以與樓宇監(jiān)控中心進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)無人遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)經(jīng)過一年試行檢驗(yàn)，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，節(jié)能效果顯著。