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【摘 要】市某自来水厂供水系统由两级泵站构成。由于两级泵站一直采用手动操作模式，即操作人员通过人工观察水池水位的高低来确定是否起动水泵抽水，所以操作人员要频繁起动和停止水泵，其劳动强度较大，且容易出现溢水、缺水事故，影响供水质量。使用变频器和PLC联合控制技术就可实现水泵和水位的自动控制，并可进行故障报警提示，从而提高了供水的可靠性、稳定性和经济效益。
【关键词】自动化控制；变频技术；PLC
案例
市某自来水厂供水系统由一级和二级泵站构成。一级泵站由两台18.5KW水泵机组构成，二级泵站由两台30KW水泵机组构成。一级泵站从河中抽水至沉淀池，经过沉淀、消毒，然后流入清水池。二级泵站是从清水池抽水送至远端水塔及用户。由于该自来水厂一、二级泵站一直采用手动操作模式，即在一级泵站，人工观察水池水位，当水位达低限位时，人工启动水泵抽水；达高限位时，人工使水泵停机。在二级泵站，操作人员完全凭经验判断水塔的水位，估计水位偏低时，人工启动水泵抽水，估计水位偏高时，人工使水泵停机。由此可见，一、二级泵站的操作人员要频繁起动和停止水泵，其劳动强度较大，且容易出现溢水、缺水事故，影响供水质量。为使该自来水厂的供水实现自动化，作者研究和设计了一种新型的用变频器和PLC技术联合控制的供水自动化系统。该系统已在该自来水厂进行了实际应用，实现了该厂两级泵站水泵启动运行的自动化，大幅度提高了该厂供水的可靠性、稳定性和经济效益。
控制思路
该系统采用变频器和PLC进行联合控制。变频器采用PID恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。PLC对水泵的运行模式、机组的选择及机组的启动停止等进行控制。以上控制信号都为PLC的输入信号。一级泵站水泵的启动停止信号取自沉淀池内所装的液位传感器，当水位达低限位时，液位传感器给出启动水泵的信号；当水位达高限位时，液位传感器给出停止水泵的信号。二级泵站的反馈信号取自出水管处远传压力表，当压力高于设定值时，变频器变频，水泵电机减速；当压力低于设定值时，变频器变频，水泵电机加速。在二级泵站水泵的运行中，它将受一级泵站清水池的缺水信号的控制，以此来防止清水池几乎缺水时水泵空转，缺水液位设置在水位的0.8米处。
系统功能
该系统由于是变频器和PLC联合控制系统，因此它主要具有如下五方面的功能。
1．一级泵站设定为恒水位控制模式。即以沉淀池的水位为参照点控制水泵运行，使沉淀池水位经常保持一个恒定值。二级泵站设定为恒水压控制模式，即以出水管水压为参照点控制水泵运行，出水管水压经常保持一个恒定值。
2．两级泵站水泵的运行模式为变频自动、工频自动两种。
3．变频自动模式下，若变频器出故障，则自动进行声、光报警，水泵停机，然后人工转换为工频自动模式。
4．变频自动模式下，系统分别根据一级泵站沉淀池水位和二级泵站出水管水压情况，在低限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机加速或恒速运行。在高限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机减速或恒速运行。一级泵站水泵电机在高限值时还需自动停机。
5．一级泵站工频自动模式下，沉淀池的水位基本保持恒定。当水位达低限位时，自动启动水泵工频运行；当水位达高限位时，水泵自动停机。二级泵站工频自动模式下，出水管水压在一定范围内保持恒定。当出水管水压达低限位时，自动启动水泵工频运行。
硬件系统
该系统的硬件主要包括主电路和控制电路。
（一）主电路
图1为一级泵站主电路框图。图中采用了一台18.5KW日本三菱变频器（风机水泵型）作为核心部件。采用了日本HH3P-630断路器及德力西JXC-630交流接触器作为主要电气元件。
二级泵站的主电路框图与图1基本相同，所不同的是水泵与变频器的功率不同，一级泵站的水泵机组和变频器的功率都为18.5KW，而二级泵站的水泵机组和变频器的功率都为30KW。
（二）控制电路
该系统的控制电路采用日本三菱公司生产的PLC作为控制核心，它主要包括一级泵站水泵机组控制电路和二级泵站水泵机组控制电路。
1．一级泵站水泵机组控制电路
一级泵站所用的PLC为FX2-24MR，其外部端子接线图如图2所示。图中，“水泵选择”开关的两个端子分别接PLC输入端子X0（1#水泵）、X1（2#水泵）。“运行模式”开关的两个端子分别接X2、X3，X2为变频自动模式，X3为工频自动模式。沉淀池低水位液位传感器的输出电路简化为一个常开触点，连接X4；高水位液位传感器的输出电路简化为常开触点，连接X5。1#水泵与2#水泵的起动开关分别连接X6、X7。变频器故障信号通过X10输入，其故障通过Y2和Y3的输出驱动电铃D1和指示灯D2进行声、光报警。Y0、Y1连接的KM1、KM2分别为1#水泵与2#水泵主电路中交流接触器的线圈，与其线圈并联的RC串联电路是PLC输出端子的保护电路，R取150Ω、1/4W，C取0.01μF、400V。
2．二级泵站水泵机组控制电路
二级泵站水泵机组控制电路PLC外部端子接线图如图3所示。控制核心为一台日本三菱公司生产的FX2系列基本单元FX2-24MR。图中D1、D2为变频器故障的声、光报警器，D3、D4为清水池缺水声、光报警器。PLC输入端子X0、X1分别接出水管处远传压力表，X2接清水池缺水信号。KM1、KM2分别为主电路中控制1#水泵与2#水泵工作的交流接触器线圈，KM3为控制排除管道内空气的电动阀门工作的交流接触器线圈。
软件部分
（一）变频器参数
该系统采用的日本三菱变频器是一种高功能静音式风机水泵型变频器。一级泵站所用的变频器为18.5KW，二级泵站所用的变频器为30KW。该系统所用变频器参数是根据系统的控制参数来设定的。系统的控制参数：一级泵站沉淀池低水位设为1.2米，恒定水位高度设为2.5米，高水位设为2.8米（池总高为3米）；二级泵站出水管低水压值设为0.3Mpa，恒定水压值设为0.45Mpa，高水压值设为0.5Mpa（最高耐压为1Mpa）。根据系统的控制参数所设定的变频器参数：一级泵站变频器上限频率为49Hz，下限频率为40Hz，恒速频率为42.5Hz；二级泵站变频器上限频率为47Hz，下限频率为38Hz，恒水压频率为23Hz。
（二）PLC控制程序框图
一级泵站和二级泵站的PLC控制程序可用基本逻辑指令或步进指令进行编写。由于该系统基本上属于顺序控制系统，因此用步进指令编写程序的概念更清楚，思路更清晰，从而使编程更简便。
1．一级泵站PLC控制程序框图
一级泵站PLC控制程序包括变频自动运行程序和工频自动运行程序。
（1）变频自动运行程序框图
一级泵站PLC控制变频自动运行程序框图如图4所示（图中主要画出了1#泵工作的程序框图，2#泵工作的程序框图与1#泵类同，故省略）。图中，X0接通，1#水泵工作，X1接通，2#水泵工作；X2接通，水泵选择变频自动运行模式，X3接通，水泵选择工频自动运行模式；当系统沉淀池水位达低限时，X4接通，Y0（或Y1）得电输出，1#泵（或2#泵）变频运行且受变频器PID控制。当水泵运行中变频器出现故障，X10获取故障信号，Y0（或Y1）失电，KM1（或KM2）失电，1#泵（或2#泵）停机。同时，Y2、Y3得电，D1、D2进行声、光报警。当系统检测沉淀池水位处于高限时，X5接通，水泵电机自动停机，并等待沉淀池低限水位状态到来时水泵重新启动运行。
（2）工频自动运行程序框图
一级泵站工频自动运行仍选择1#泵工作为例。当起动1#泵时，X6接通，且当沉淀池处于低限水位时，X4接通，1#泵进入工频自动模式。当系统检测沉淀池水位为高限时，水泵自动停机，并等待沉淀池低限水位的再次到来，从而重新起动水泵运行。当沉淀池的水位处于低限时，水泵继续工作，一直工作到沉淀池水位达高限时方才停机。一级泵站工频自动运行程序框图如图5所示。
2．二级泵站PLC控制程序框图
二级泵站PLC自动控制程序包括变频自动运行和工频自动运行两部分，图6为变频自动运行程序框图。由于二级泵站工频自动运行程序不用考虑变频器的工作情况，因此它的程序框图比变频自动运行程序框图简单得多。
结束语
此系统在该自来水厂经过实际运行，工作稳定、可靠，而且取得了如下三方面的效益：一是水泵电机起动电流大幅度减小，有效地减少了电机起动大电流对设备用电网的冲击，减少了维修费用；二是由于出水管道水压可任意调节，因此可将水泵扬程调节到较为理想的值，以最大限度地节约能源；三是由于该系统采用PLC控制技术，因此大幅度减少了因人工操作失误而引起的溢水、缺水等事故，从而提高了供水质量。
参考文献：
[1]高勤.电器及PLC控制技术.北京：高等教育教育出版社，2002.6
[2]日本三菱变频器使用说明书■
【关键词】自动化控制；变频技术；PLC
案例
市某自来水厂供水系统由一级和二级泵站构成。一级泵站由两台18.5KW水泵机组构成，二级泵站由两台30KW水泵机组构成。一级泵站从河中抽水至沉淀池，经过沉淀、消毒，然后流入清水池。二级泵站是从清水池抽水送至远端水塔及用户。由于该自来水厂一、二级泵站一直采用手动操作模式，即在一级泵站，人工观察水池水位，当水位达低限位时，人工启动水泵抽水；达高限位时，人工使水泵停机。在二级泵站，操作人员完全凭经验判断水塔的水位，估计水位偏低时，人工启动水泵抽水，估计水位偏高时，人工使水泵停机。由此可见，一、二级泵站的操作人员要频繁起动和停止水泵，其劳动强度较大，且容易出现溢水、缺水事故，影响供水质量。为使该自来水厂的供水实现自动化，作者研究和设计了一种新型的用变频器和PLC技术联合控制的供水自动化系统。该系统已在该自来水厂进行了实际应用，实现了该厂两级泵站水泵启动运行的自动化，大幅度提高了该厂供水的可靠性、稳定性和经济效益。
控制思路
该系统采用变频器和PLC进行联合控制。变频器采用PID恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。PLC对水泵的运行模式、机组的选择及机组的启动停止等进行控制。以上控制信号都为PLC的输入信号。一级泵站水泵的启动停止信号取自沉淀池内所装的液位传感器，当水位达低限位时，液位传感器给出启动水泵的信号；当水位达高限位时，液位传感器给出停止水泵的信号。二级泵站的反馈信号取自出水管处远传压力表，当压力高于设定值时，变频器变频，水泵电机减速；当压力低于设定值时，变频器变频，水泵电机加速。在二级泵站水泵的运行中，它将受一级泵站清水池的缺水信号的控制，以此来防止清水池几乎缺水时水泵空转，缺水液位设置在水位的0.8米处。
系统功能
该系统由于是变频器和PLC联合控制系统，因此它主要具有如下五方面的功能。
1．一级泵站设定为恒水位控制模式。即以沉淀池的水位为参照点控制水泵运行，使沉淀池水位经常保持一个恒定值。二级泵站设定为恒水压控制模式，即以出水管水压为参照点控制水泵运行，出水管水压经常保持一个恒定值。
2．两级泵站水泵的运行模式为变频自动、工频自动两种。
3．变频自动模式下，若变频器出故障，则自动进行声、光报警，水泵停机，然后人工转换为工频自动模式。
4．变频自动模式下，系统分别根据一级泵站沉淀池水位和二级泵站出水管水压情况，在低限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机加速或恒速运行。在高限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机减速或恒速运行。一级泵站水泵电机在高限值时还需自动停机。
5．一级泵站工频自动模式下，沉淀池的水位基本保持恒定。当水位达低限位时，自动启动水泵工频运行；当水位达高限位时，水泵自动停机。二级泵站工频自动模式下，出水管水压在一定范围内保持恒定。当出水管水压达低限位时，自动启动水泵工频运行。
硬件系统
该系统的硬件主要包括主电路和控制电路。
（一）主电路
图1为一级泵站主电路框图。图中采用了一台18.5KW日本三菱变频器（风机水泵型）作为核心部件。采用了日本HH3P-630断路器及德力西JXC-630交流接触器作为主要电气元件。
二级泵站的主电路框图与图1基本相同，所不同的是水泵与变频器的功率不同，一级泵站的水泵机组和变频器的功率都为18.5KW，而二级泵站的水泵机组和变频器的功率都为30KW。
（二）控制电路
该系统的控制电路采用日本三菱公司生产的PLC作为控制核心，它主要包括一级泵站水泵机组控制电路和二级泵站水泵机组控制电路。
1．一级泵站水泵机组控制电路
一级泵站所用的PLC为FX2-24MR，其外部端子接线图如图2所示。图中，“水泵选择”开关的两个端子分别接PLC输入端子X0（1#水泵）、X1（2#水泵）。“运行模式”开关的两个端子分别接X2、X3，X2为变频自动模式，X3为工频自动模式。沉淀池低水位液位传感器的输出电路简化为一个常开触点，连接X4；高水位液位传感器的输出电路简化为常开触点，连接X5。1#水泵与2#水泵的起动开关分别连接X6、X7。变频器故障信号通过X10输入，其故障通过Y2和Y3的输出驱动电铃D1和指示灯D2进行声、光报警。Y0、Y1连接的KM1、KM2分别为1#水泵与2#水泵主电路中交流接触器的线圈，与其线圈并联的RC串联电路是PLC输出端子的保护电路，R取150Ω、1/4W，C取0.01μF、400V。
2．二级泵站水泵机组控制电路
二级泵站水泵机组控制电路PLC外部端子接线图如图3所示。控制核心为一台日本三菱公司生产的FX2系列基本单元FX2-24MR。图中D1、D2为变频器故障的声、光报警器，D3、D4为清水池缺水声、光报警器。PLC输入端子X0、X1分别接出水管处远传压力表，X2接清水池缺水信号。KM1、KM2分别为主电路中控制1#水泵与2#水泵工作的交流接触器线圈，KM3为控制排除管道内空气的电动阀门工作的交流接触器线圈。
软件部分
（一）变频器参数
该系统采用的日本三菱变频器是一种高功能静音式风机水泵型变频器。一级泵站所用的变频器为18.5KW，二级泵站所用的变频器为30KW。该系统所用变频器参数是根据系统的控制参数来设定的。系统的控制参数：一级泵站沉淀池低水位设为1.2米，恒定水位高度设为2.5米，高水位设为2.8米（池总高为3米）；二级泵站出水管低水压值设为0.3Mpa，恒定水压值设为0.45Mpa，高水压值设为0.5Mpa（最高耐压为1Mpa）。根据系统的控制参数所设定的变频器参数：一级泵站变频器上限频率为49Hz，下限频率为40Hz，恒速频率为42.5Hz；二级泵站变频器上限频率为47Hz，下限频率为38Hz，恒水压频率为23Hz。
（二）PLC控制程序框图
一级泵站和二级泵站的PLC控制程序可用基本逻辑指令或步进指令进行编写。由于该系统基本上属于顺序控制系统，因此用步进指令编写程序的概念更清楚，思路更清晰，从而使编程更简便。
1．一级泵站PLC控制程序框图
一级泵站PLC控制程序包括变频自动运行程序和工频自动运行程序。
（1）变频自动运行程序框图
一级泵站PLC控制变频自动运行程序框图如图4所示（图中主要画出了1#泵工作的程序框图，2#泵工作的程序框图与1#泵类同，故省略）。图中，X0接通，1#水泵工作，X1接通，2#水泵工作；X2接通，水泵选择变频自动运行模式，X3接通，水泵选择工频自动运行模式；当系统沉淀池水位达低限时，X4接通，Y0（或Y1）得电输出，1#泵（或2#泵）变频运行且受变频器PID控制。当水泵运行中变频器出现故障，X10获取故障信号，Y0（或Y1）失电，KM1（或KM2）失电，1#泵（或2#泵）停机。同时，Y2、Y3得电，D1、D2进行声、光报警。当系统检测沉淀池水位处于高限时，X5接通，水泵电机自动停机，并等待沉淀池低限水位状态到来时水泵重新启动运行。
（2）工频自动运行程序框图
一级泵站工频自动运行仍选择1#泵工作为例。当起动1#泵时，X6接通，且当沉淀池处于低限水位时，X4接通，1#泵进入工频自动模式。当系统检测沉淀池水位为高限时，水泵自动停机，并等待沉淀池低限水位的再次到来，从而重新起动水泵运行。当沉淀池的水位处于低限时，水泵继续工作，一直工作到沉淀池水位达高限时方才停机。一级泵站工频自动运行程序框图如图5所示。
2．二级泵站PLC控制程序框图
二级泵站PLC自动控制程序包括变频自动运行和工频自动运行两部分，图6为变频自动运行程序框图。由于二级泵站工频自动运行程序不用考虑变频器的工作情况，因此它的程序框图比变频自动运行程序框图简单得多。
结束语
此系统在该自来水厂经过实际运行，工作稳定、可靠，而且取得了如下三方面的效益：一是水泵电机起动电流大幅度减小，有效地减少了电机起动大电流对设备用电网的冲击，减少了维修费用；二是由于出水管道水压可任意调节，因此可将水泵扬程调节到较为理想的值，以最大限度地节约能源；三是由于该系统采用PLC控制技术，因此大幅度减少了因人工操作失误而引起的溢水、缺水等事故，从而提高了供水质量。
参考文献：
[1]高勤.电器及PLC控制技术.北京：高等教育教育出版社，2002.6
[2]日本三菱变频器使用说明书■