变频恒压供水控制系统设计和应用

齐健

摘要：我国城镇市政管网的供水压力通常维持在0.14MP左右，这样的水压只能满足低层建筑供水的要求，高层建筑必须通过二次加压才能满足用水要求。以前大多采用常高压给水系统，由水泵把水提升到水塔，再由水塔把水输送给各用户，结果增大了水泵的轴功率和能量损耗，非常不经济;本系统将采用PLC与变频器相结合的方式来控制水泵的切换和转速调节，使管网压力恒定输出。

关键词：频器;可编程控制器PLC;自动控制

引言

文章在恒压供水控制方式的基础上，分析了变频调速控制原理，阐述了变频调速系统设计原则，研究了变频恒压供水系统设计实例，实践证明，变频恒压供水控制系统具有以下几个优势：分别是，供水能力稳定，节能效果显著，因此，通过对变频恒压供水控制系统进行科学的设计和改造，为有效的开拓该系统广阔的市场应用前景具有非常重要的现实意义，希望通过这次研究，为相关设计人员提供有效的参考。

1变频调速系统设计原则

第一，在对储水池容量进行设计时，要保证其容量要超过每小时的最大供水总容量。第二，在对水泵扬程的高度进行设计时，要保证其高度要超过每小时的最大供水高度。第三，在对水泵流量总和进行设计时，要保证其流量总和要超过每小时的最大供水总容量。只有严格遵守以上几个原则，才能为保证变频恒压供水控制系统的强大功能起着至关重要的影响。与此同时，也有利于大大提高用户的良好体验。

2控制系统总体设计

系统需要实现的功能包括：1）根据管网压力自动调控系统中的水泵工作，保持管网压力稳定;2）通过触摸屏手动控制系统运行，以及查看系统运行的各项技术参数和设备运行状态;3）自动切换运行的水泵组合，避免个别水泵持续运行的时间过长，延长水泵的使用寿命;4）工频电源和变频电源互锁，防止两种方式同时连接造成变频器短路故障;5）系统中的设备都具备过电流保护、过热保护、断电保护、缺水保护的功能。基于PLC的变频恒压供水系统由PLC控制器、变频器、压力传感器、液位传感器、软启动器和触摸屏组成。压力传感器安装在供水管网的主水管上，将检测到的压力信号传输给PLC控制器，PLC控制器将当前的水压与预先设置的水压进行对比，对变频器输出调控信号，变频器根据PLC发来的控制信号改变输出频率，从而改变水泵电动机的转速，水泵的出水量随转速改变，使管网的水压得到相应的调整，保证了供水系统管网水压的稳定性。

3变频恒压供水系统硬件设计

供水设计主要是针对解决现如今的高层居民区供水问题而设计的，当然它的高性能、小投资、节能、环保等特点提高了它的适应能力，扩大了它的适用范围。也可更具体要求用于工厂供水线路或专业消防供水系统。系统采用的是一对多的设计原理，一台变频器分时段控制三台水系。系统具有 PLC 智能控制单元，完全实现全自动系统控制，自动的信息数据扫描更新功能，是系统资源达到最合理分配。有效地控制实现三个水泵的工作状态、电压频率、转动速率等性能的控制。

（1）人工方式：可以任意启/停三台水泵中的任意一个，也可以变换水泵的工频/变频工作方式，甚至改变在变频状态下运行水泵工作的频率，但需要注意的是同一时刻系统中三台水泵中只能有一台水泵处于变频状态运行。由于技术上的限制手动方式不能确保出水管网压力的恒定，所必须需要人为的调节。手动方式主要被用于：①系统设计初期的性能测试;②工作中的检修和突发紧急情况时水泵的控制;③通过增大或减小变频器频率的按钮来调节变频变换速度，达到检测速度的目的。

（2）自动方式：系统正常工作状态下主要采用自动方式运行，自动方式下供水系统保持高度的自动化。在该方式下按下启动控制键，系统将自动赋初值，并且根据实际用水量的多少自动调节水泵的转速和变化运行水泵的台数，这种方式可以极大地提高机器的利用率，最大限度地保证每台水泵在最优配置的状态下工作。该设计中有专用的故障检测排除功能，不断扫描检测设备的工作情况和各环节的配合情况，一旦发现系统有异常，立即通过显示屏输出报警信息和故障分析报告，控制系统更具问题的影响程度，做出相应的应急动作，如果故障直接影响系统的安全运行，那么系统CPU将立即发出控制信号，停止系统的运行对系统做到及时、有效的保护。

4控制系统软件设计

软件主要包含两个部分，I/O和寄存器地址的分配以及程序整体逻辑的设计与调试。控制系统主程序设计：恒压供水系统主要是通过PLC内置的PID功能实现目标。液位传感器将采集到的液位信号传送到PLC内，经过数模转换，将得到的模拟量信号进行PID运算，并进行模数转换输出，此时的模拟量信号与当前液位差值成正比。变频器接收PLC输出的模拟量信号，设置变频器参数，使得变频器的频率随着模拟量的改变而改变，从而改变水泵的运行状态，让水压始终在预设水压微幅波动，实现恒压供水。系统启动后进行压力值预设，同时接收实时输出液位高度信号，将液位高度转化成压力值。进行数据处理，当实时液位小于预设的压力值，则根据实时液位数据进行PID参数配置，并根据配置做PID计算处理，从而对系统指标参数进行控制。（1）数据处理。液位传感器将检测到的4～20mA的模拟量送到PLCAIW0模拟量输入端口，通过Scaling库可直接调用模数转换模块，简单方便的将模拟量信号转换成数字量信号。（2）输出压力值计算。考虑我们最终目的是实现恒压，因此我们需要将得到的液位数据进行换算，并将最终得到的压力值保存在VD100寄存器在中。（3）PID算法采用PID向导，在向导设置时将PID的增益、积分时间和微分时间进行设置，同时根据输入电流从4mA开始，在过程变量范围设置时需使用20%偏移量，输出类型选择模拟量和单极性，将使能低限报警、使能高限报警和使能模拟量输入模块报错分别存入中间寄存器M0.1、M0.2和M0.3。将M0.0作为是否启用PID算法的开关，当M0.0置为1，则输出根据预设值进行PID算法，并输出水压最终达到预设值;如M0.0置为0，则不经过PID算法，且输出水压为最大值的20%。

5智能化变频供水控制系统的主要应用场合

为了较好地完成控制系统功能 ，在实际施工安装中，可以采用了西门子变频器和可编程序控制器， 以及优质的软启动器 、接触器 、启停按钮和信号灯， 并做防电磁干扰工作。此系统主要应用场合如下 ：⑴高层建筑、城乡居民小区、企事业等生活用水;⑵各类工业需要恒压控制的用水 、冷却水循環、热力网水循环、锅炉补水等;⑶中央空调系统;⑷自来水厂增压系统;⑸农田灌溉、污水处理 、人造喷泉;⑹各种流体恒压控制系统。

结语

随着我国现代化工业发展以及大量用户用水的需求，该系统将有更广阔的市场前景。作为供水工程的相关人员，在利用变频恒压供水系统时，除了具备专业的技术水平以外，还要积极掌握系统中的结构性能，改善系统中所存在的不足，为我国的供水工程发展做出一定的贡献。

参考文献

[1]熊建国.基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].电子科技大学，2013.

[2]许建霞.PLC变频器实现供水系统自动恒压控制[J].科技信息，2010，15：492.

[3]乔卫红，魏秋红.基于PLC控制的城市变频恒压供水系统设计[J].科学与财富，2013（2）.

[4]钟丽娟.PLC实现恒压变频供水系统的设计[D].呼和浩特：内蒙古大学，2015.