基于PLC的住宅小区变频恒压供水系统设计

摘要：介绍了一种基于PLC的住宅小区变频恒压供水系统，整个供水系统的运行采用闭环变频恒压供水控制。该系统具有节能环保、简单实用、可靠性好、便于维护等特点，利用PLC与变频器结合，能够很好地解决恒压供水问题。详细介绍了西门子S7-200系列PLC 以及变频器在恒压供水系统中的硬件配置及软件设计，利用抄表系统和组态监控系统实现稳定的变频恒压供水控制流程。

关键词：PLC；住宅小区；变频恒压；供水系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）35-8168-04

党的十已经明确提出“节能、环保，推进生态文明建设，建设美丽中国”的主要精神，在我们这个水资源和电能短缺的国家，随着我国社会经济的不断发展，住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。传统小区供水方式有：水塔高位水箱供水、恒速泵直接供水系统、恒速泵加气压罐的供水方式、变频调速供水等方式，这些供水方式普遍存在可靠性差、效率低、自动供水系统化程度不高等缺点，难以满足当前住宅小区生活的需要。经过变频技术的不断进步，现代变频恒压供水技术具有节能、环保和能够提供高质量水源等特点，广泛用于很多住宅小区及楼层较高的建筑的消防、生活供水系统中。

本文依据某住宅小区用户对供水系统的要求，确定工控设备西门子S7-200 PLC和西门子MM420变频器作为主要控制设备来设计变频恒压供水系统，并通过抄表系统实现用水量的计算，通过组态监控系统达到实时监控和远程操作的作用，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的运行效果。

1 控制系统的基本要求、组成和工作原理

变频恒压供水系统控制的基本要求如下：①供水压力基本恒定，换泵时的水压波动小；②共有4台水泵，3台主水泵，1台辅助泵；③变频器的速度以及工、变频运行由管网压力变送器来控制；④通过脉冲式水表可以完成用水量的计量；⑤通过组态监控系统实现稳定的住宅小区变频恒压供水控制过程。

本系统是通过闭环控制系统达到控制管道内水压的作用，也就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。变频恒压供水系统由变频器、水泵、PLC以及压力变送器等构成闭环控制系统。其系统框图如图1所示。

针对目前住宅小区供水系统存在的问题：主要表现在用水高峰期，特别是早、晚两个时间段，正是人们烧饭洗衣服的时候，这时管网中的水的需求量大大高于供给量，水泵提供的管道中水的压力不断降低，出现供不应求的现象。除了早、晚两个时间段以外的时间，即用水低峰期，这时用水量大大降低，管网中水的需求量远远低于供给量，水泵提供的管道中水的压力不断升高，出现供过于求的现象，这样有可能使水管爆裂，甚至损坏用水设备，造成能源的浪费。本系统主要通过西门子S7-200 PLC 对水泵进行节能优化控制，通过西门子MM420变频器调整水泵的运行状态和运行台数，达到稳定水压和节约电能的目的。系统通过压力变送器采集管道中水压信号，PLC采集到该信号后，由A/ D转换模块将采集信号值与设定值进行比较，西门子S7-200 PLC能够进行PID控制，PID是比例、积分、微分的缩写，比例调节的作用是能够加快调节速度，积分的作用是减小误差，从而消除静差，微分的作用是改善系统的动态性能。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。供水压力经PID调节后的输出量将通过交流接触器组切换后输出给水泵的电动机，最终由PLC根据频率变化来控制水泵的运行数量和工变频运行状态，以此来确保管道水压的稳定。变频恒压供水系统总体结构图如图2所示。

2 系统的硬件设计

利用西门子MM420变频器、西门子S7-200PLC、压力变送器等器件构成闭环控制系统，以调节水泵的工变频情况，实现变频恒压供水。

2.1 主电路电气原理图

变频恒压供水系统总电路图如图3所示，接触器KM1、KM3、KM5分别控制1#电机、2#电机、3#电机的变频运行，接触器KM2、KM4、KM6分别控制1#电机、2#电机、3#电机的工频运行，接触器KM7控制辅助泵的工频运行，PLC的模拟输出端子M、V控制变频器的运行。为了更好地保护电机的运行，在电路中加入热继电器，它的工作原理是过载电流通过热元件后，使双金属片加热弯曲去推动动作机构来带动触点动作，从而将电动机控制电路断开实现电动机断电停车，起到过载保护的作用。FR1、FR2为1#电机、2#电机过载保护用的热继电器，FR3、FR4为3#电机、辅助泵过载保护用的热继电器。

2.2 PLC的I/O分配表、接线图和变频器设置

本系统PLC的I/O分配见表1，系统的PLC接线图如图4所示，PLC的输出端子Q0.0～Q0.6分别控制中间继电器KA1～KA7的线圈。系统管网压力值由外部设定，管网实际压力信号由压力变送器输入到PLC的模拟输入端A+，PLC控制变频器，变频器再通过接触器线圈实现电机工频运行或变频运行的切换，控制水泵的运行状态和运行数量。

本系统采用的是西门子变频器MM420，它可以设置电动机的额定电压、额定频率等参数，能够保证供水系统运行的稳定性和可靠性，具体参数设置见表2。

3 系统的软件设计

本供水系统主要用于住宅小区生活用水，其用水量主要集中在早、晚两个时间段，早上用水量主要集中在6点-9点这个时间段，晚上用水量主要集中在18点-22点这个时间段，除了这两个时间段以外，平时都处于低流量状态。与通常的工频气压给水设备相比，采用变频恒压供水系统实现低流量时的恒压供水节能效果可达30%。

系统启动运行时，首先启动辅助泵工频运行供水，当用水量增大，当前管网压力小于系统设定压力时，1分钟后，PLC通过变频器启动l#水泵变频运行，同时关闭辅助泵的运行。在l#水泵变频运行（从0Hz向上调整）中，PLC根据水压变化进行PID调节来控制流量，维持水压。当1#水泵变频运行到50Hz时，如果用水量继续增加，当前管网压力仍小于系统设定压力时，1分钟后，由PLC给出控制信号，将l#水泵与变频器断开，l#水泵由变频运行转为工频运行，同时变频器启动2#水泵变频运行。系统工作于l#水泵工频、2#水泵变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两台水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数，直到满足设定压力。整个过程中只有一台水泵工作在变频状态。

当用水量减少，当前管网压力大于系统设定压力时，将当前供水状态中工作在工频方式的3#水泵转为变频运行，当3#水泵运行频率下降到0Hz，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，将3#水泵停止，2#水泵投入变频运行，当2#水泵运行频率下降到0Hz，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，将2#水泵停止，1#水泵投入变频运行（从高频率向下调整）直到满足设定压力。

当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，当前管网压力仍大于系统设定压力时，1分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水，达到了节能的目的。

本系统采用了三台主水泵和一台辅助稳压泵供水，其中只有主水泵参与变频运行，共有10种有效供水状态，具体如表3所示。各供水状态之间的转换关系如图5所示。

设置运行和备用的转换时间以保证所有水泵的均衡使用。PLC程序流程见图6。

4.1抄表系统

脉冲水表是普通发讯水表加上电子采集模块而组成，电子模块完成信号采集、数据处理、存储并将数据通过通信线路上传给中继器、或手持式抄表器。表体采用一体设计，它可以实时地将用户用水量记录并保存，每块水表都有唯一的代码，当脉冲水表接收到抄表指令后可即时将水表数据上传给管理系统。本系统通过设计抄表程序，实现对水表脉冲的读取和累计，并实现用水量的计算。

4.2 组态监控系统设计

本系统采用力控组态软件进行组态设计，达到实时监控和远程操作的作用，主要实现以下功能：

1）通过上位机能检测 “当前工作状态”、“1#水泵”、“2#水泵”、“3#水泵”、“辅助泵”的工作状态；

2）通过上位机能检测“供水管道压力”、“水表数据”、PID“ 输出值”，其中“供水管道压力”能通过曲线反映出来；

3）在上位机上能通过“启动”和“停止”按钮控制PLC自动控制程序的启停；

4）通过上位机能修改和设定“供水管道压力”、“比例系数”、“积分时间”、“微分时间”，并实现稳定的变频恒压供水控制流程。

5 结束语

本文就某住宅小区恒压供水的实际要求，采用基于PLC的变频恒压供水系统，并通过抄表系统和组态监控系统对供水系统进行实时监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能。

参考文献：

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[2] 胡盘峰，陈慧敏.基于PLC的新型变频恒压供水系统设计[J].机械工程与自动化，2011（2）.

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