基于PLC的居民小区变频恒压供水系统的设计

李梦瑶

摘要：居民小区用水量呈现一定的规律，有用水高峰期和低峰期。在用水高峰期，水的供给量常低于居民需求，出现水压过低导致水供不应求的情况出现；在用水低峰期，供水量超过需求量，从而出现水压升高，不仅浪费水资源，同时有可能会出现管道压力过大引起爆裂和用水设备损坏的情况。为了解决这个问题，将PLC变频技术应用于供水系统。PLC变频恒压供水系统可以通过变频技术调节电机的转速，从而能够自动保持水管内的水压恒定，并且它还可以根据居民用水情况对其实行操作系数的自动调节，满足各楼层居民的日常用水，改变了以往高层水压上不来的情况。

关键词：PLC 变频 恒压 供水系统

一、变频恒压供水系统介绍

恒压供水是指用户端在任何时候，不管用水量的多少，都能保持供水管道中水压的基本恒定。恒压供水系统中，为了保持供水管道中的水压基本恒定，需要根据设定的供水管道压力与实际的管道压力的进行比较，得到的压力差经过PlD控制器计算和转换，得到变频器输出频率的变化值，从而调节水泵的转速，达到调节管道中水压的目的。最终使实际水压和设定水压相等。变频恒压供水系统的原理图如图1所示。

根据公式：n=60f/p，在极对数p不变的情况下，同步转速n和电源频率f成正比。连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电机的转速，被称之为变频调速。变频恒压供水系统实现水泵电机无级变速，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，达到维持恒定供水压力的目的。

根据流体力学的原理，水泵的流量与转速成正比，电动机轴上的消耗功率和转速的平方成正比。采用交流变频调速恒压供水。不仅可以保证供水水源稳定，又能有效减少电能的损耗。变频恒压供水首先节能是最主要的特点，平均可以节电20%-40%，实现了绿色用电。体积小配置灵活，自动化程度高。自动化水平高，可以实现无人值守，节约人力物力等优点。

研究已知包括官网、水箱、水泵机组的被控对象可以看成一个纯滞后的一阶惯性环节。由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，敌系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PlD调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。

本设计中的技术要求有：

（1）供水压力正常设定为0.5MPa，最大供水压力为0.6 MPa，最小供水压力为0.1 MPa，水压的波动不超过士1%。

（2）采用四个水泵供水，并能够完成自动和手动控制。

（3）水泵机组采用循环软启动工作方式；系统开始启动时，第一台水泵变频工作，当水压满足不了需求时，第一台工频运行，投入第二台变频运行，以此类推，直到第四台水泵启动；水泵停泵时，先停第一台正在工频工作的水泵，以此类推，再停在变频工作的水泵。

二、系统总体方案的设计

1.控制方案的选择

本设计采用交流变频调速恒压供水的控制方案。变频恒压供水有两种运行方式（1）补偿式运行方式（2）循环软启动运行方式。分析兩种运行方式的优缺点，最终本设计采用循环软启动的工作方式。

2.控制器的选择和控制系统的组成

本设计采用主-从控制结构，即上下级两级计算机控制。上位机采用PC机，下位机采用PLC。

变频恒压供水系统有水箱、管路、阀门和水泵机组、电气操作系统和各种传感器、仪表等所组成。其中水箱包括上位水箱和下位水箱；电器操作系统以PLC和变频器为核心，还包括小型断路器、交流接触器、热继电器、直流电源以及指示灯和主令电器等；传感器和仪表由温度传感器、压力变送器、电压变送器、电流变送器、功率变送器等组成。水泵机组有四台TLS40-200单级单吸式离心泵组成，这种水泵运行稳定、噪声小、便于维修。

①PLC的选择

根据本设计中的控制要求，估算本设计有20个开关量输入，输出，还有电压、电流、压力等10个模拟量输入，输出。通过计算可知，开关量和模拟量总共需要2706字节的存储空间，再考虑到程序存储空间和备用存储空间，估计本系统需5KB存储器容量。

根据输入，输出的点数和估算出的存储器容量，选择PLC型号和模块扩展。本设计选择西门子S7-200系列的PLC，主机为CPU224模块。该模块共有24个I/O点，13KB的存储器容量，另外还具有PID控制器，完全能满足系统的需求。

②变频器的选择

变频器实现对水泵机组转速控制，通过跟踪PlD控制器发出的控制信号来改变水泵的运行频率，从而实现对水泵转速的改变。本设计采用西门子MM440矢量型变频器。变频器采用循环工作方式。

③变送器和执行机构的选择

压力变送器型号EHT-13-2、流量变送器型号LW-25、温度变送器型号JWSL-3AT；上述变送器完成对信号和检测和变送。执行结构为电磁阀和流量阀。

3.软件系统设计

①模块化程序设计

程序包括主程序、定时采样子程序、PlD控制子程序、故障报警子程序等。其中主程序流程图如图2所示。

②控制周期的选择

根据设计要求，选择系统的采样周期为200ms，滤波周期和控制周期均为6.4s。

⑨PID参数自整定

S7-200系列的PLC控制器参数的整定由自整定的功能，可以实现PID控制参数的自整定。

三、结论

本设计中的变频恒压供水系统投入使用后，供水压力恒定，满足了各种设计要求。endprint