PLC 控制三台变频器 + 三台水泵恒压供水系统方案

该方案采用PLC + 变频器 + 压力变送器 + 三台水泵的架构，实现闭环恒压控制，核心逻辑是根据管网压力自动调节变频器频率、启停水泵台数，兼顾节能与供水稳定性。以下是从系统架构、控制原理、硬件选型、程序设计到故障处理的完整方案。

一、系统架构与控制目标

1. 系统组成

2. 控制目标

• 恒压供水：管网压力稳定在设定值（如 0.4MPa），偏差≤±0.02MPa；

• 自动轮换：多台水泵循环工作，避免单台泵长期运行老化；

• 变频 / 工频切换：单台泵变频达到 50Hz 仍无法满足压力时，切换为工频运行，启动下一台泵变频；

• 故障保护：过载、欠压、缺水、压力超高 / 超低时自动停机报警。

二、核心控制原理

1. 闭环控制逻辑（PID 调节）

PLC 通过压力变送器采集实际压力值，与目标压力值进行 PID 运算，输出频率指令至变频器，调节水泵转速：

• 实际压力 < 目标压力 → PLC 增大输出频率 → 水泵转速提高 → 供水量增加 → 压力上升；

• 实际压力 > 目标压力 → PLC 减小输出频率 → 水泵转速降低 → 供水量减少 → 压力下降。

2. 水泵启停与轮换策略（以 3 台泵为例）

设定变频下限频率（如 25Hz） 和变频上限频率（50Hz），控制逻辑如下：

1. 系统启动：默认启动 #1 泵变频运行，PLC 通过 PID 调节频率，维持压力；

2. 加泵逻辑：#1 泵频率升至 50Hz，实际压力仍低于目标压力持续 5s → 启动 #1 泵工频运行 → 启动 #2 泵变频运行；若 #2 泵升至 50Hz 仍不满足压力 → 启动 #2 泵工频 → 启动 #3 泵变频；

3. 减泵逻辑：用水量减少，#3 泵频率降至 25Hz，实际压力仍高于目标压力持续 5s → 停止 #3 泵 → #2 泵转为变频运行；若 #2 泵频率降至 25Hz 仍超压 → 停止 #2 泵 → #1 泵变频运行；

4. 自动轮换：设定轮换时间（如 24h），到时间后自动切换当前工频泵为变频，原变频泵按条件切换，实现三台泵均匀磨损。

三、硬件选型（以西门子 S7-200 SMART 为例）

1. PLC 选型

• 型号：S7-200 SMART ST30（18DI/12DO，2AI/1AO）；

• 扩展模块（可选）：若需更多 AI/AO，加 EM AE04（4 路模拟量输入）、EM AQ02（2 路模拟量输出）；

• 模拟量处理：压力变送器 4-20mA 信号接入 PLC AI 口，PLC AO 口输出 0-10V 信号至变频器频率给定端。

2. 变频器选型

• 品牌：西门子 MM440/MM420、三菱 FR-D700、台达 VFD-M；

• 功率：与水泵电机功率匹配（如电机 5.5kW → 变频器选 5.5kW/7.5kW）；

• 参数设置：频率指令来源设为外部模拟量（AI），运行指令来源设为外部端子（PLC 控制）。

3. 压力变送器选型

• 量程：根据实际供水压力选择（如 0-1.0MPa）；

• 输出信号：4-20mA（抗干扰能力强，优先选择）；

• 安装位置：安装在水泵出口总管上，远离弯头、阀门，保证测量精度。

四、PLC 程序设计（梯形图思路）

1. 程序结构

分为初始化程序、模拟量采集与转换、PID 调节、水泵启停逻辑、故障保护5 个模块。

2. 关键程序步骤

（1）模拟量采集与转换（压力值）

压力变送器 4-20mA 对应 0-1.0MPa，PLC AI 口采集的数字量为 0-27648：

ladder

// 读取压力变送器数值（AIW0）
LD SM0.1
MOVW AIW0, VW100
// 数字量转工程值：压力(MPa)= (VW100/27648)*1.0
LD SM0.0
DIVR VW100, 27648.0, VD102
MULR VD102, 1.0, VD106  // VD106=实际压力值(MPa)

（2）PID 参数配置与运算

在 PLC 中启用 PID 向导，设置参数：

• 设定值（SP）：触摸屏写入，存储在 VD200（如 0.4MPa）；

• 过程值（PV）：VD106（实际压力值）；

• 输出值（MV）：VD204（对应变频器频率 0-50Hz，PLC AO 口输出 0-10V）；

• PID 参数：比例增益（Kp）、积分时间（Ti）、微分时间（Td），需现场调试优化。

（3）水泵启停逻辑（#1 泵为例）

ladder

// #1泵变频转工频条件：频率≥50Hz 且 实际压力<设定压力 持续5s
LD SM0.0
LDR>= VD204, 50.0
ANDR>= VD106, VD200
TON T37, 50  // T37=5s计时
// T37计时到，#1泵工频运行，#2泵变频启动
LD T37
= Q0.1  // #1泵工频接触器线圈
= Q0.3  // #2泵变频运行指令

（4）自动轮换控制

ladder

// 轮换时间计时（24h=86400s）
LD SM0.0
TON T100, 864000  // 100ms计时，864000=86400s
// 计时到，触发轮换标志位
LD T100
= M0.0  // 轮换标志位
// 轮换逻辑：当前工频泵停止，下一台泵变频启动
LD M0.0
// 此处编写泵组切换逻辑，重置计时

3. 变频器与 PLC 接线要点

• 控制回路：PLC DO 口 → 中间继电器 → 变频器RUN、STOP、多段速端子（控制启停 / 变频工频切换）；

• 模拟量回路：PLC AO 口（0-10V） → 变频器AI1端子（频率给定）；

• 反馈回路：变频器AO 口（输出频率 / 电流） → PLC AI 口（监控变频器状态）；

• 安全回路：变频器故障输出端子（常闭） → PLC DI 口，故障时 PLC 立即停机。

五、触摸屏界面设计（可选，以西门子精智面板为例）

1. 主界面：显示实际压力、目标压力、当前运行泵号、变频器频率、水泵运行状态（变频 / 工频 / 停止）；

2. 参数设置界面：设置目标压力、PID 参数、轮换时间、频率上下限；

3. 故障报警界面：显示过载、欠压、压力异常等故障信息，记录故障时间；

4. 手动控制界面：手动启停单台泵，手动调节频率（调试时使用）。

六、系统调试与优化

1. 调试步骤

1. 空载调试：断开水泵电机，PLC 输出频率指令，观察变频器频率是否跟随变化；

2. 单机调试：启动单台泵变频运行，调节 PID 参数，使压力稳定在设定值；

3. 多机调试：模拟用水量变化，测试加泵 / 减泵逻辑是否正常，轮换功能是否可靠；

4. 故障模拟：模拟压力超高 / 超低、电机过载，测试保护功能是否生效。

2. PID 参数优化技巧

• 压力波动大 → 增大 Kp，减小 Ti；

• 压力响应慢 → 减小 Kp，增大 Ti；

• 压力超调严重 → 增加 Td（微分作用抑制超调）。

七、常见故障与处理

八、节能与维护建议

1. 节能：变频运行比工频运行节电 20%-50%，优先保证变频泵运行；

2. 维护：定期清理压力变送器探头；检查变频器散热风扇；定期轮换水泵，延长使用寿命；

3. 备用泵：设置备用泵自动投入功能，主泵故障时备用泵立即启动。