基于PLC的恒压供水控制系统研究

摘要：恒压供水方式要求供水出口压力恒定，不受供水系统中用水量变化的影响。目前，恒压供水被广泛应用于自来水厂、城市供水等场所。本文详细分析研究了恒压供水系统的工艺过程的基础，对变频器、压力传感器、液位计等现代工程部件选型及系统中的相关模块进行组态进行了介绍。

关键词：PLC；可编程逻辑控制器；恒压供水；控制系统

中图分类号：TV674文献标识码： A 文章编号：

一、引言

为了配合日常生活和生产需要，在供水系统中多采用多台水泵的供水方式，水泵启动数量的多少取决于用水量的大小，这便造成供水水压不恒定的问题。尤其是近些年以来，随着中国经济的迅猛发展，在各个方面的用水量剧增，这便需要供水系统中多个水泵同时工作，传统供水设备已经不能确保供水出口压力恒定，因此，需采取有效措施，目前较为有效的方法是变频恒压供水。采用变频调速的方式来实现供水量和压力的调整，可以有效的控制供水压力，确保供水系统可靠运行。在变频恒压供水系统中，需要对供水设备进行自动化改造。在供水系统中应用可编程逻辑控制器（PLC），运用PLC的逻辑处理能力、数据分析处理能力便能控制变频器，进而实现变频功能。

二、恒压供水系统工作原理

顾名思义，恒压供水系统需要保持供水端的压力恒定，而用于供水的水泵转速的快慢直接影响着供水端的压力大小，所以恒压供水系统需装载变频器对供水水泵的动力进行调节。

如图1所示，恒压供水系统的工作原理为：将压力传感器安装在供水管道上，供水管道中水流的压力通过压力传感器转换成6-25mA的电信号，然后将此电信号送至逻辑可编程控制器，即PLC。PLC将接收到的数据信号进行运算处理，之后形成用作变频调速的且能被变频器所识别的给定信号，变频器依据从PLC接收的给定信号来调节其输出频率，进而调节所对应的水泵的转速，供水出口压力恒定，不受供水系统中用水量变化的影响。

目前的供水控制系统都大同小异，无论是自来水厂还是二次供水的泵站，都是首先将压力计安装在入水口处，用其测量入水压力，之后与设定压力进行比较，如若入水压力不足，则对电动蝶阀2进行关闭，同时打开电动蝶阀1。此时需控制调节阀的开度，令水位保持在一定高度。在系统中还需装有流量计，以便对用水量进行监测。

图1系统工作原理

三、恒压供水控制系统的设计

1、确定控制参数和控制对象

(1)入水压力检测

将压力计安置在入水管口，通过比较测量值与系统设定值间的关系，控制两个蝶阀的开启与关闭。

(2)液位检测

液位计安置在储水罐内,通过比较测量值与系统设定值之间的关系,根据液位的变化,调节调节阀的开度。

(3)变频恒压供水

水泵控制是保证正常、稳定供水的重要环节，4台供水泵控制均采用恒压供水压力定值调节。根据定压点的压力，对水泵转速的调节则通过变频器控制，及时调整供水量，防止系统缺水，保证系统安全、恒压运行。通过供水泵调节，保持系统供水压力稳定，为系统恒压供水提供保障。

目前较为先进的“一拖二”方式，即两台水泵通过一台变频器进行控制：开启l#水泵后，由于流量发生变化，频率随之发生变化，当频率升高到一定值之后，开启2#泵。随即频率有所下降，当下降到一定程度后关闭2#泵。2#泵关闭后频率又开始升高，当达到定值时再次开启2#泵。如此反复。

当一定时间后，若两台泵均处于开启状态时，开启3#泵和变频器2。3#泵开启后，频率将发生变化，升高到一定值时，开启4#泵。开启后频率将下降，当降到一定值时，关闭4#泵。当4#泵处于关闭状态，且3#泵的频率为0时，关闭3#泵及变频器2。

2、变频器的选型

目前较为主流的变频器，按控制方式分主要有三类，分别是矢量控制方式变频器、转差频率逆变器、U/f控制变频器。考虑到用水泵最为动力，当水泵转速较低时，其转矩不是很大，所以选择U/f控制变频器就能满足要求。三菱FR-A540变频器，不仅拥有U/f控制类型的变频器的优点，在内部还拥有PID控制模块而且价格相对来说还很便宜，性价比也较高，可用于供水系统中进行闭环控制，从而实现恒压供水。

3、PLC的选型

在考虑PLC选型上，主要依据其输入和输出单元数量，内存大小、接口类型等来选择。在恒压变频供水系统，最少需用到5个输入信号和5个输出信号，所以选择三菱FX2N-32MR可以达到要求。

表1 PLC接线及功能设定

综上，在对系统设备进行选型时，主要考虑其是否具有可靠性高的特点，能否适应恒压供水系统中水泵频繁切换的动作要求。根据系统的实际需要，选择FX2N-32MR型号的PLC，扩展一个把工程里规格化到模拟输出的FC106模块，以满足PCL对变频器的有效控制。使用三菱公司的FR-A540 U/f控制变频器，其内部拥有PID控制模块，能够快速准确的对转矩变化进行响应。选择国产德州仪表厂生产的8975型号的压力传感器，这种传感器采用电容式结构，测量可靠性高，且使用寿命很长。

四、恒压供水系统程序编译

1、根据人水压力控制蝶阀启停及根据液位调节阀调节阀开度

人水压力为模拟量输人N，量程为0-1000kPa。输出信号为6-25mA，转化后的数字量为29468。根据转化公式：1000*N/29468，将模拟量人水压力N转化为数字量。比较压力值，当测量值小于设定值时，打开蝶阀l，并关闭蝶阀2。

同理，液位高度为模拟量输人N，量程为0-1000cm。输出信号为6-25mA，转化后的数字量为29468。根据转化公式：1000*N/29468，将模拟量液位高度N转化为数字量。根据反馈值=(设定值-测量值)*系数0.1+前一次反馈，得出当前反馈。将当前的反馈值与前一次反馈值比较，当前反馈值>前次反馈值时，即液位变低，调节阀应开大；当前反馈值

图2蝶阀启停控制及调节阀开度控制流程

2 变频恒压供水控制

压力作为模拟量，通过压力传感器输出后的信号为6-25mA，转化后的数字量为29468。根据转化公式：1000*N/29468，把模拟量转变成数字量。变频器l输出频率为模拟量输入，将反馈通过模块FC106、传送指令输出到变频器l。根据反馈值=(设定值-测量值)*系数0.1+前一次反馈，得出当前反馈。利用定时器每10s测量一次，若反馈值高于47.5Hz，计数器1就计1，只要反馈值有一次低于47.5Hz，计数器便执行清零操作，重新开始计数。当反馈值一直高于47.5Hz，计数器计数到30，即5分钟后，打开2#泵。若反馈值低于5Hz，计数器2就计1，只要反馈值有一次高于5Hz,，计数器就清零，重新计数。当反馈值一直低于5Hz，计数器计1数到30，即5分钟后，关闭2#泵。5分钟后，若1#泵和2#泵都处于启动状态，开启变频器2及3#泵。

与变频器l的工作过程类似，当4#泵处于关闭状态，计算变频器2新的反馈值。反馈值=(设定值-测量值)*系数0.01+前一次反馈。每10s测量一次，若反馈值小于5Hz，计数器计1。定时,15分钟，若3#泵的频率依然小于5Hz，关闭3#泵。以变频器1为例，变频恒压供水控制流程见图3。

图3变频恒压供水控制流程

五、结语

恒压供水系统能够解决现代生产生活中用水量剧增剧减所导致的出口压力不稳定的问题。利用PLC对供水系统进行控制，不仅能够保证供水出口压力恒定，使其不受供水系统中用水量变化的影响，而且还具有成本低、安全可靠等优点。

六、主要参考文献：

冯秋，曹国刚.可编程控制器原理及应用[J]. 科学与财富,2010,(10);187-188.

葛云燕，李新平. 变频器应用技术及电机调速[J]. 供用电，2007，(3);66-67.

李宝英，魏长宏．PLC开发与应用实例详解.[J]．科技资讯，2011，(03);167-168

刘间德，变频器内置PID功能在恒压供水设备中的应用[J]．变频器世界，2007，17(2):51-52