关于PLC控制变频调速恒压供水系统设计的探讨

摘 要：恒压供水是指用户端在任何时候,不管用水量的大小,总能保持管网中水压的基本恒定。恒压供水系统的控制策略是采用可编程控制器(PLC) 和变频调速装置优化控制泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,在管网流量变化时能达到稳定供水压力和节约电能的目的。

关键词：PLC；恒压供水；自动控制系统；设计要点

引言：随着对住宅小区和企事业单位供水质量要求的不断提高，传统的水塔式供水方式和直接水泵加压等供水方式已经不能满足人们生产生活的需要。由于用户用水在高峰和低谷时用水量相差很大，不利于设备的经济运行，降低了供水设备尤其是电机的使用寿命，浪费了大量的电能。随着变频调速技术的不断发展，恒压变频供水设备开始应用到多层住宅小区及企事业单位的供水，提高了供水质量，节约了大量电能。下面以一个住宅小区的变频恒压供水设备为例，介绍变频调速技术的恒压供水自动控制系统。

一、工程案例分析

广东广州市某住宅小区共有住宅楼15 幢，最高为9层，每幢由两根DN50 水管并联供水，进入小区总管为一根DN100 水管。设计流量为40t/h，需增补扬程20m，以保证出水压力达到0.31MPa。

二、恒压供水系统的组成及工作原理

1、恒压供水系统

小区的恒压供水系统由2 台变频电机拖动的水泵机组、1 台泵类专用变频器、1 台可编程控制器PLC，再加上电磁阀、压力传感器等组成，如下图1 所示。

该系统的工作过程如下：蓄水池隔离市政的自来水网和小区供水系统，起到一定的缓冲作用。小区供水系统由2 台水泵机组加压供水。系统启动时，变频器控制1 台变频电机低转速启动，通过变频器逐步提高水泵转速，出水口压力传感器将水压信号反馈给PLC 从而调节变频器输出频率，如果第1 台电机传速调节到最高时出水口压力仍然达不到设定值，则需要增加另一台水泵。增加水泵时，首先将第1 台水泵从变频器供电通过接触器组转换到由电网直接供电，即由变频转换到工频。然后通过变频器控制第2 台变频电机软启动，逐步增加第2 台电机的转速，直到出水口的水压达到设定值。当用户的用水量较小时，1 台电机就可以满足水压的要求，用水高峰时，2 台电机同时投入运行。2 台电机互为备用，大大提高了系统的可靠性，而且在用水低谷时，还可以对电机进行必要的维护检修。

2、采用PLC 控制的变频调速恒压供水系统有以下优点：

⑴供水质量提高，水压稳定，得到了用户的肯定。

⑵操作控制简单。通过PLC 和变频器还可实现对系统的过流、过热、过压、短路等保护功能。减轻了设备维护人员的劳动强度，延长了设备的寿命。

⑶节约资源。变频器的容量小于系统的总容量，大大降低了电控系统的造价。同时由于采用了变频调速技术，电能消耗大为减少。

三、恒压供水自动控制系统的设计要点

1、启动阶段自动控制系统的设计

系统开始工作时，压力传感器将水压信号送到PLC控制器，开始时水压低于设定值，启动升速程序。把第1台电机接入变频器输出电路，变频器初始输出频率为35Hz，电机低转速启动，控制水泵电机逐渐升速，同时管网电压上升。当水压达到设定值时，变频电机在此频率下稳定运行，进入稳定运行状态，并保持水压恒定。若变频电机频率达到电网工频时，水压还未达到设定值，此时PLC 给出信号至接触器组。接触器组将第1 台电机切换至工频电网，同时发出指令使第2 台电机接入变频器，变频器输出频率为35Hz，第2 台水泵启动并调速至水压的设定值，达到稳定运行状态使水压保持恒定。

2、稳定运行状态的自动控制系统设计

进入稳定运行状态后，控制系统框图如下图2 所示。

为了防止各种扰动如用水负荷的波动对水压造成的影响，压力传感器将管网水压信号与给定水压比较后通过PID 环节送至变频器，调节变频器的输出频率从而保持水压的稳定。传统的PID 调节器算法为：

关于P 值，I 值，D 值的设定可采用在经验值指导下的测试法，力争短时间内完成参数设定，避免对外界和设备本身造成不良影响。设定的依据：增益P 值大，反应快，有利于减少静态误差（即供水管网的实际压力与恒压给定值的差值），但是P 值过大，系统将产生振荡，稳定性变坏。积分I 值越小振荡作用越强烈，应适当增大I 值，减少振荡，使系统更加稳定，但是积分时间太长又会发生当实际管网水压急剧变化时难以迅速恢复的情况，系统的动态响应变差。微分D 值时间愈短，微分作用愈弱，减少D 值，有利于减少调节时间，克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。P，I，D 经验值和参数设定依据，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。依据笔者多年的经验，确定了参数的大致范围：当P 参数设定为1.4，I 参数设定为20，D 参数设定为0.5 时，效果较令人满意。应注意本文给出的仅是参考值，在PID 产生的控制作用中，某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿，因此不同的设定参数完全可得到同样令人满意的控制效果。

对于居民小区，用水高峰集中在早、中、晚3 个时段，而在深夜则用水量处于低谷。改变不同时段的压力给定值，则更能起到节能的作用。每个时段内的压力给定值是根据日用水量变化情况设定的。在PLC 控制程序中根据时段的不同，设定不同压力值，在深夜，给定值小些；在用水高峰期，给定值大些。工作时，控制程序按不同时段自动给出压力给定值，无需人工干预。

3、加泵、减泵控制

当变频器输出频率最高水压仍不能满足要求，则需要进行加泵操作。第1 台电机由变频到工频的转换，时间应尽可能短。因为电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。同时第2 台电机接入变频器启动。如果两台电机同时运行时，由于用水负荷减小，第2 台电机转速调到最低，实际管网压力仍然超出设定值，则进行减泵操作。将第1 台电机从电网断开。为了防止出现反复加泵、减泵的现象，在PLC 程序设计中，引入滞环控制。程序中加泵、减泵的切换设定值不是刚好等于设定值，加泵时设定值为“设定值-”，减泵时设定值为“设定值+”。的大小根据水压控制精度要求而进行相应设定。

4、人机交互界面的设计

人机交互界面应当提供相应的操作控制界面，提供相应故障报警信息等。系统应当提供自动控制模式和人工控制模式两种。在自动控制模式下，如果发生停电或其他意外情况使水泵停机，系统能够在下次供电时重新启动。这样，供水站平时就可无人值守，有利于减轻工作人员的劳动强度，节约劳动力资源。系统出现故障时，能够切换到手动控制方式，保证连续供水。

四、结束语

总之，变频恒压供水系统是值得大力推广的一项技术，不但可应用于新建小区的供水系统，也可应用到原有供水设备的改造中。实践运行表明，该系统投入使用后系统供水压力稳定，控制精度高，运行可靠，且具有良好的经济效益。

参考文献：

【1】乔维德. 模糊神经网络在PLC 恒压供水控制系统中的应用[J].电气传动自动化,2007,29(2).

【2】谢仕宏,朱晓聪,姜丽波,模糊PID 控制算法在恒压供水系统中的应用[J].陕西科技大学学报,2007,25(2).

【3】张春霞. 变频调速及PLC 技术在恒压供水系统中的应用[J].矿业快报,2004,(10)

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文