变频恒压供水PLC控制系统的设计

变频恒压供水PLC控制系统的设计

黄中力

南宁市中元物业服务有限责任公司 广西南宁 530000

摘 要：目前，我国的供水方式正朝着高效节能、自动化的方向发展，采用现代科学技术和变频技术，实现恒压供水自动化系统。基于此，本文就对变频恒压供水PLC控制系统的设计进行了一定的分析，希望可以为有关人员提供一定的借鉴。

关键词：PLC；恒压供水；控制系统；设计

我国目前的供水设备还处在智能化水平较低、自动化程度较低的状况。PLC具有较高的可靠性，较好的性价比，价格低廉，适应性广，便于扩充的优点。将PLC技术和变频技术相结合，并将其用于恒压供水是当前系统设计的必然趋势。恒压供水系统的首要目标是保证管网内的水压不变。由于水泵电动机的转速随着流量的变化而经常发生变化，为了保证管网水压的稳定，需要采用变频调速装置为水泵电机供电。

1变频恒压供水详细情况

小区内的生活用水因季节、昼夜差异较大，因用水与供水的不均衡主要体现在水压上，也就是用水量多、供水不足、水压低、水量少。目前，国内的城市给水、工业生产的循环水等技术还处于起步阶段。随着电力电子及计算机控制技术的发展，以PLC为主要控制器，变频调速装置为执行器，实现了恒压、节水、节能的供水，以满足生活用水和工业用水的需求[1]。新的变频恒压供水系统在设备投入、运行经济性、稳定性、可靠性、自动化等方面均有明显的优越性，并且节能效果明显。恒压供水系统的上述优点吸引了国内各大供水企业的关注，并不断投入研发、生产该高科技产品。随着城市建设、智能楼宇的发展、供水网络的调度以及总体规划的需要，传统的单泵、恒压系统逐步被多泵控制取代。尽管单泵产品系统结构简单、可靠，但是单泵电机的深度调节会导致水泵和电机的效率低下，而多泵产品的投资更少，运行效率更高。

2 PLC变频恒压供水控制系统设计理论

2.1PLC变频供水系统的基本特性

在实际使用中，一般使用离心泵，以离心速度驱动水流，使水进入给水管道。根据具体的离心式水泵的给水转动曲线显示资料，可以得出，在实际的给水工作中，扬程与其流量成反比例。在实际给水中，离心泵的给水压力随水量的增加而降低。因此，在给水过程中，扬程的大小决定了其基本的给水关系。

2.2PLC变频供水系统的能耗分析

在供水系统的设计中，必须重视对其进行能量分析，只有通过对其进行能量分析，才能使其在实际应用中得到最大的效益。根据水泵的转动频率和水流的流速来进行能量分析，在实际的给水中，由于泵的压力不够大，存在着供水压力不足的情况，从而增加了供水系统的能源消耗。如果在实际给水过程中Q1和扬程H1是固定的，则Q1向Q2的变化将使给水的能量消耗增加，从而使给水的阻力曲线发生变化。

2.3系统构成

压力传感器通常设在泵站出口，它的主要作用是控制管网中的水压。通常情况下，在用水量较大时，水压变化通常都很小。而压力传感器一般把用水量的变化转换成电流或压力变化的幅度，并把数据传送到稳压器上[2]。调节器中有一个预先设置好的管道压力，当测量到压力传感器给出的水压时，它会根据测量值和实际测量值，对其进行综合分析，并按照相关的调整规则，给出相应的调整信号。

例如，当调压器收到测量水压的时候，与给定的水压进行对比，结果显示，测量的水压小于规定的水压，说明系统的水压没有达到理想的水压，而当测量值大于规定的水压时，控制器就会发出一个信号，使水泵的速度下降。此外，所述稳压器的输出信号典型值是一个在4毫安至20毫安之间的电流信号，或一个0至10伏之间的电压信号，其大小通常正比于上述的给定值和测量值之间的差值，从而驱动所述执行装置。调整器将会发出一个信号来提高或降低水泵电机的速度。

2.4供水系统工作流程

第一步，在系统通电，在变频设备开始工作之后，将水泵电机M1拖动，PLC计算出变频调速器的输出频率，再由变频调速器调整M1的旋转速度，水泵电动机M1处于调速操作状态。在测量出的压力达到一定的范围后，供水和用水达到了一个平衡，并且转速达到了一个稳定的水平。

第二，随着测量水压的降低，压力传感器的反馈信号会降低，这表明，在这个时候，用水量越来越多，水压的变化也越来越大，变频器根据偏差值调整输出频率来控制水泵的速度，直到泵的转速达到一个新的稳定值，才能满足供水的需要。而在测量到水压升高后，变频装置会根据误差调整输出频率，使水泵电机的速度降低至一个新的稳定值。

第三，在测量到水压升高后，变频调速装置会降低输出频率，如果在这个时间频率仍在上限频率以上，仍无法将实际水压降到设置压力以下，则在减少泵的条件下，PLC会关闭发出指令的工频工作状态的水泵M2，并将水压降到一个预设值。

2.5工作原理设计

关闭空气开关，供水系统开始工作。手动/自动开关打至自动，系统进入全自动运行状态。 PLC中序首先接通KM6，启动变频器。PID调整是根据压力设定值（根据管网压力要求设定）和压力实际值（来自压力传感器）之间的偏差，并且向变频器输出给定频率信号。变频器根据给定的频率信号和预先设定的加速时间，对水泵转速进行控制，使水压保持在设定压力的上下限范围内，实现恒压控制。同时，变频器的运行频率达到上限时，将信号发送给 PLC, PLC根据管网压力的上下限信号以及变频器的工作频率是否达到上限信号，由程序判断是否启动第二泵（或者第三泵）。当变频器的工作频率达到最高频率并保持一定时间后， PLC就会把当前的变频调速泵转换成工频运行，然后迅速启动下一台水泵变频运行。此时 PID将通过远端压力表的检测信号继续分析、计算和判断，从而进一步控制变频器的工作频率， 使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

2.6变频调速系统设计原则

在实际工作中，变频恒压供水控制系统的设计应严格遵守：第一，在设计水库的能力时，应确保其容量大于单位小时最大供水能力。第二，在确定水泵的扬程高度时，应确保水泵的最高水位高于每小时的最高水位。第三，在设计抽水总流量时，应确保抽水总量大于其小时最大供水能力。只有严格遵循上述原则，才能确保变频恒压供水系统的稳定运行。同时，也能极大地改善用户的使用体验。

3控制系统设计

3.1控制系统组成

根据系统按照技术需求，采用了当前比较成熟的交流变频恒压供水控制方案。建立控制系统的结构框图。该系统由PLC，变频器，水箱，供水系统，供水管网，各种传感器和仪表组成。

3.2系统的控制过程

利用压力计对管网压力进行实时监测，并将其传输到PLC,PLC根据测量结果与设置值进行对比，进行PID调整。第一台水泵采用变频方式启动，在水压不足的情况下，先进入工频工作，然后启动第二台泵进入变频，如此反复，直至第3个台水泵启动；停机时，首先停止工频水泵，然后停止变频水泵，这是一种先启动后停止的原则。变频调速器是通过调整水泵机组的运行台数和调速来实现对管网压力的控制。

3.3控制硬件设计

本文对变频恒压供水系统中的电压信号采集模块的要求进行了研究。PLC控制系统。变频调速器的作用是通过控制PLC的输出信号来调节水泵的速度，同时还可以调节系统内的水量，以保证一定的供水压力。变频调速系统的选型、调速范围、调速精度、调速方式等都是设计中的重要问题，选用西门子MM440变频调速系统。

3.7控制软件设计

该系统首先要有一个主要的控制程序，在给出了一个整体的控制方案后，在该系统中还应该设计一个PLC程序来对测量的水压进行比较，并对给定的水压和信号进行计算，实现对水压的调整和闭环的控制。在本系统中，要设定自动、手动两个档位，并编制合理的水泵操作规程。

3.8画面组成设计

通过对现场的数据进行综合处理，将设备的工作状况和数据的变化以多种形式呈现给工作人员，其中，水位的显示可以反映系统的水位，操作人员在触摸屏上设置控制指令，并进行数据检测，实现对整个系统的动态监测和对水泵组的操作状况进行管理。在这种情况下， MCGS会立即模拟工作状态对配置进行模式测试，方便技术人员在以后的调试和测试中使用。在对变频恒压供水系统进行一体化设计时，要做到分阶段、逐步进行。同时，在进行相关工作的过程中，要尽可能地满足广大用户的用水需要，节约用水，将设备的运行故障降到最低。

4控制系统方案设计和总体设计

4.1方案设计

该系统采取了一种循环式的水泵转换方式：变频调速装置仅与第一个水泵电动机相连，当水泵的容量达不到恒定压力时，变频调速装置便会自动停止工作，向控制中心PLC发送信号，通过预先编制好的程序来完成。循环开关泵的本质就是把第一个水泵转换成一个工作频率，然后用它来驱动其它的水泵。这种给水的方法，就是将变频调速装置一直控制着一台水泵，而其它的水泵则只能在工频工作，不受其控制，从而达到了设计这种系统的目标，也就是使水管网内的压力保持不变[3]。这种循环式抽水方式在全国各地的自来水公司都得到了广泛的应用，但也有一个缺点，那就是当水泵切换时，水管中的压力会出现短暂的波动。

4.2总体设计

4.2.1基本控制功能

恒压供水系统最根本的作用就是通过PLC的PID功能来调整输出，然后将输出信号传输给变频器，变频器会根据输出信号的变化来调整变频器的输出频率[4]。电动机会根据实际水压与期望的水压之差来调整电机的速度，从而保证系统的工作稳定、可靠。

4.2.2上位机功能

通过PLC与上位机的通信，可以对系统的工作状态进行实时监测，并对各个电磁阀的开闭状态进行实时的显示，并对设定的压力进行调整。

4.2.3短信功能

在水压异常时，可向预先设定的电话通知用户，提示系统有问题；也可以通过短消息来调节预置的水压。

4.2.4移植功能

由于控制系统必须能够满足大部分的使用要求，而不能只针对某一特定的建筑物进行设计，这样会造成大量的资源浪费，所以必须具有良好的可移植性。

4.2.5其他功能

为了延长机器的使用寿命，应严格遵守操作规程，尽量避免频繁起动停机。

5控制系统硬件设计

5.1科学选择与设计PLC

选择变频调速有其原理。为了使系统的运行性能最大化，变频调速必须和给水水泵的功率相适应。不能比给水泵的功率大得多，也不能比给水泵的功率小得多。在使用变频器之前，必须首先设定好初始参数，然后再设定变频器的工作参数。从而实现对系统的自动调节，使水泵的容量与负载相适应[5]。为了使系统的动态、静态响应达到最优的速率，还需要对积分项、比例项的参数进行相应的调整。总之，在选择变频调速系统时，必须根据负荷特性来达到工作要求。换言之，在选择变频调速时要根据负荷的特点来达到工作的需要[6]。西门子可以在此考虑，其参数的设定如下：P0003=3（专用）;P0010=30；P0970=1，并附加地显示P0970（复位完成）。需注意的是，基于PLC的恒压式供水系统本身含有1个模拟量的输出信号和11个数字量的输出信号

5.2适宜选择液位变送器

在具体的设计中，采用DS26型分体液位传感器，可用于深井、水池等液面测量，并可调节全范围和零点，达到设计要求。

结束语：

结果表明，PLC和变频调速装置在恒压供水系统中得到了广泛的应用，其稳定可靠的工作性能远远超过了常规的供水系统，其优点是能够将管网的压力维持在一定的范围内，达到节能、节水、节地、节约能源的目标。在变频调速装置发生故障后仍可保证系统供水，并可在故障发生后自动开机，具有较高的推广价值。

参考文献：

[1]田亚娟,郭丽颖.变频恒压供水PLC控制系统的设计[J].计算技术与自动化,2010,29(1):25-28.

[2]江卫平.变频恒压供水PLC控制系统的设计[J].中国科技纵横,2014(15):85-85.

[3]伍春霞,候海.基于PLC变频恒压供水控制系统的设计[J].山西电子技术,2021(1):42-44.

[4]王辉,赵虎坡.PLC变频恒压供水控制系统的设计和实现[J].科学技术创新,2018(12):66-67.

[5]宋震.PLC变频恒压供水控制系统的设计和实现[J].建筑工程技术与设计,2018(30):3399.

[6]孙建华.PLC变频恒压供水控制系统的设计和实现[J].河南科技,2013(10):124-125.