基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统设计

供水系统是人们工业生产和生活中必不可少的公共设施之一。随着智能楼宇建筑的迅速发展，人们对供水系统的可靠性和稳定性有着更高的要求。再加上现在能源紧缺，设计节能、稳定、工作可靠的恒压供水系统是必然趋势。
传统供水系统的提升方式是采用水塔、高水位水箱或气压罐等设备，这些设备经济成本高并且能量消耗较大。
而基于ＰＬＣ和变频器的恒压供水系统将电气控制技术与变频器技术融为一体，大大提高了供水系统的可靠性和稳定性。同时，供水系统节能效果明显，这在能源日渐紧缺的今天显得尤为重要。因此，研究基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统对改善居民生活水平、提高工业生产效率、节约能源等具有非常重要的意义。设计了以ＰＬＣ为核心的变频恒压供水系统，以解决城市供水管网的水压浮动较大的问题。根据网管的压力自动地调节供水量，解决了居民生活用水的水压波动问题，实现了恒压供水。但是上述方法仍然存在着诸多问题，比如运行成本高，供水压力不稳定等。因此，本文利用变频器对水泵电动机进行变频调速，利用ＰＬＣ控制变频－工频切换，经ＰＩＤ调节器进行压力调节，从而设计闭环供水自动控制系统，以实现恒压供水。
１　供水系统介绍
１．１　供水系统主要参数
供水系统如图１所示。水泵将水池中的水抽出，并上扬至一定高度，以满足工业生产和生活所需的供水压力和水流量。

图１　供水系统示意图
１）流量
在单位时间内流过管道某一横截面的水量，称之为流量，用Ｑ 表示，单位为ｍ３／ｓ、ｍ３／ｍｉｎ或ｍ３／ｈ。
２）压力
水在管路中的压强，称为压力，用ｐ 表示，单位为Ｍｐａ。
３）全扬程
单位质量的水被水泵所上扬的高度，称为扬程，如图１所示。将水上扬到一定高度，是水由动能转化成势能的过程。在这个过程中包括克服管道阻力所做功，并且要使水保持一定的流速。那么，全扬程就可以定义为在忽略管道阻力的情况下，水泵将水上扬的最大高度。全扬程可以说明水泵的泵水能力，用ＨＴ表示，单位为ｍ。
４）损失扬程与实际扬程
水在管道中流动时克服管道阻力所做的功，必定会有一定的扬程损失，这部分扬程称之为损失扬程。因此，水泵将水克服一切阻力后所上扬的实际高度，称为实际扬程，实际扬程是全扬程与损失扬程相减的差值，用ＨＡ表示。
５）管阻
在管道系统中，管路、截门等管件对水流的阻力，称为管阻。
１．２　供水系统的特性
１）水泵的扬程特性
水泵的扬程特性为在转速一定的条件下，全扬程ＨＴ和流量Ｑ 之间的函数关系ＨＴ＝ｆ（Ｑ）。如图２所示的曲线“３”为在额定转速情况下水泵的扬程特性，曲线“４”为在转速下降时水泵的扬程特性。图中Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４个点是供水工作点。
当系统工作于曲线３的Ａ 点时，用户用水需求量较小，所对应的流量ＱＡ较小。此时，所对应的全扬程ＨＴＡ较大。
当系统工作于曲线３的Ｂ点时，用户用水需求量较大，所对应的流量ＱＢ较大。此时，所对应的全扬程ＨＴＢ较小。

图２　调节流量的方法
可见，扬程特性反映了用户用水需求量的大小。
２）管道阻力特性
管道阻力特性为在管道阀门开度一定的条件下，全扬程ＨＴ和流量Ｑ 之间的函数关系ＨＴ＝ｆ（Ｑ），简称为管阻特性。如图２所示的曲线“１”和曲线“２”。
管阻特性的意义是为了提供一定的供水流量所需的全扬程的大小。图２中，曲线“２”是阀门全开时的管阻特性。
由Ｃ点所对应的流量ＱＡ和Ｂ点所对应的流量ＱＢ
可以看出，当供水流量较小时，所需的扬程ＨＴＣ也较小；当供水流量较大时，所需的扬程ＨＴＢ也较大。
１．３　恒压供水的控制目标
满足用户对流量的要求是供水系统的控制目标，而流量的大小取决于水泵的扬程，但是对水泵扬程的测量与控制比较困难。设Ｑｇ为供水能力，Ｑｎ为用水需求量，ｐ 为管道中水压，则三者之间的平衡关系如下：
当供水能力Ｑｇ大于用水需求量Ｑｎ时，则水压ｐ 上升；
当供水能力Ｑｇ小于用水需求量Ｑｎ时，则水压ｐ 下降；
当供水流量Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ时，则水压ｐ 不变。
所谓供水能力是指水泵所能提供的水流量，其大小取决于水泵的容量大小和管道的阻力情况。而用水流量是指用户实际使用的需求量，其大小取决于用户的用水量。因此，供水能力和用水流量之间的矛盾主要反应在水压力的变化上。所以，控制了水压力也就相应地控制了流量，这就是恒压供水所要控制的最根本目标。
１．４　供水系统流量的调节方法
在供水系统中，最基本的控制对象就是流量。常用调节流量的方法有阀门调节和转速调节两种。
１）管道阀门调节
在保持水泵转速不变（额定转速）的前提下，通过改变阀门开度来调节供水流量的方法，称为阀门控制法。阀门调节水流量的实质就是水泵供水能力保持不变，用调节阀门开度来调节供水流量，即通过改变管路中阻力大小来改变供水流量。
在图２中，减小阀门开度，使供水流量由ＱＢ减小到ＱＡ，管阻特性将由曲线“２”变化到曲线“１”，而扬程特性保持不变，仍然为曲线“３”，供水工作点由Ｂ点移至Ａ点。此时，流量减小了，扬程由ＨＴＢ增大到ＨＴＡ。
２）水泵转速调节
在保持阀门开度不变的前提下，通过改变水泵的转速来调节供水流量的方法，称为转速控制法。转速调节水流量的实质就是在阀门开度最大且保持不变的情况下，通过改变水泵的转速来调节供水流量，即通过改变水泵扬程来改变供水流量，以适应用户用水需求量。
在图２中，降低水泵转速，使供水流量由ＱＢ减小到ＱＡ，扬程特性将由曲线“３”变化到曲线“４”，而管阻特性保持不变，仍然为曲线“２”，供水工作点由Ｂ点移至Ｃ点。此时，流量减小了，扬程由ＨＴＢ下降到ＨＴＣ。
将管道阀门调节方法和水泵转速调节方法相比较，可知，采用调节水泵转速的方法来调节水流量，降低了电动机使用功率，从而达到了节能的目的。因此，本文采用的就是调节水泵转速的方法。
２　恒压供水变频调速系统控制原理
２．１　恒压供水变频调速系统构成
图３所示为恒压供水变频调速系统示意图。由图３可见，变频器有两个控制信号。

图３　恒压供水变频调速系统框图
１）目标信号ＸＴ
目标信号ＸＴ是变频器模拟给定端“ＦＶ（０）”得到的信号。该信号与压力的控制目标值相对应。
２）反馈信号ＸＦ
反馈信号ＸＦ是由压力变送器ＳＰ反馈到变频器模拟输入端“ＦＩ（０１）”的信号，该信号反映了实际压力值的的大小。
２．２　压力传感器
压力传感器可以通过检测供水总管路的出水压力，从而为系统提供反馈信号。压力传感器种类有多种，常用的两种压力传感器有压力变送器和远传压力表。图４所示为这两种压力传感器的接法。
１）压力变送器ＳＰ
如图４（ａ）所示，压力变送器是将流体压力转变为电流或电压信号输出的器件。所以，压力变送器的输出信号是随着压力变化而变化的电流或电压信号。当距离比较远时，电流信号应取４～２０ｍＡ。本文采用的是压力变送器。
２）远传压力表Ｐ
如图４（ｂ）所示，其基本结构为在指针轴上添加一个可以使电位器滑动的触点装置，实质上就是一个阻值随着压力变化而变化的电位器。

图４　压力传感器及接法
２．３　系统工作原理
图５所示为变频器内部ＰＩＤ控制框图。由图５可见，给定信号ＸＴ与反馈信号ＸＦ两者之间是相减的关系，其相减结果得到偏差信号ΔＸ＝ＸＴ－ＸＦ。通过ＰＩＤ调节，得到了频率给定信号ＸＧ，此信号可以控制变频器的输出频率ｆＸ。

图５　变频器内部ＰＩＤ控制框图
１）用水需求量减小时的平衡过程当用户用水需求量减小时，供水能力Ｑｇ大于用水需求量Ｑｎ，则ｐ 上升，ＸＦ也上升，ΔＸ 减小，ｆＸ下降，从而使电动机转速降低，Ｑｇ下降，直至ｐ 恢复到目标值。当供水能力Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ时，恢复供需平衡。
２）用水需求量增加时的平衡过程当用户用水需求量增加时，供水能力Ｑｇ小于用水需求量Ｑｎ，则ｐ 下降，ＸＦ也下降，ΔＸ 增大，ｆＸ上升，从而使电动机转速上升，Ｑｇ增加，直至ｐ 恢复到目标值。当供水能力Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ时，恢复供需平衡。
３　基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统设计
对于传统的供水系统，电动机工作在额定功率，流量和出水压力只能靠阀门来控制。使用ＰＬＣ和变频器控制，通过控制电动机运行台数和转速就可以达到调节流量和压力的目的，彻底地取消了增压气罐、高位水箱以及水塔等设备，排除了水质的二度污染，从而提高了供水的质量、操作方便、自动化程度高且节约能源。
３．１　多台水泵的切换
为了保证用户对供水流量的要求，系统常采用多台水泵联合供水。通过用一台变频器来控制多台水泵相互协调工作，称为“１”控“Ｘ”，其中Ｘ 是水泵台数。在不同季节和不同时间段用户用水需求量变化是很大的，为避免能源浪费，应采用“多用多开”，“少用少开”的原则。
３．２　主电路说明
本系统采用的ＰＬＣ型号为西门子Ｓ７－２００，变频器型号为欧姆龙３Ｇ３ＭＸ２型变频器，图６所示为１控３恒压供水系统主电路。系统采用ＰＬＣ来控制变频器。变频器的Ｓ１（１）端子由ＰＬＣ的Ｙ０点控制，ＳＣ（Ｌ）端子与ＰＬＣ的ＣＯＭ点相连接。在ＰＬＣ的ＣＯＭ 点设置了复位按钮，用于变频器的复位操作。由信号处理器的Ｕ０点和ＣＯＭ 点接变频器的“ＦＶ（０）”和“ＳＣ（Ｌ）”端子用于变频器频率给定。变频器的异常输出信号Ａ端子接ＰＬＣ的Ｘ２点，Ｃ端子与ＣＯＭ点相连接。

图６　１控３恒压供水系统主电路
图７所示为基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统的流程。系统启动后，如果接收到频率上限信号，则表示供水压力过低，需要执行增泵程序，增加水泵工作数量；如果接收到频率下限信号，则表示供水压力过高，需要执行减泵程序，减少水泵工作数量；如果某台水泵运行时间较长，则执行轮换程序，避免这台水泵长时间工作。现就用水需求量非常大，需要３台水泵全部投入运行的情况进行举例分析。首先１号泵运行，当用水需求量变大时，若１号泵已经达到了额定频率５０Ｈｚ，水压还是不足，则延时一段时间，将１号泵设置为工频运行状态。同时，将２号泵设置为变频运行，输出频率降为０Ｈｚ，逐步提高输出频率，当２号泵达到额定频率５０Ｈｚ时，水压依然不足，则将２号泵设置为工频运行，同时，将３号泵设置为变频运行。反之，当用水量变小时，各水泵逐一退出工频运行。采用这样的运行方式，可以有效地减少水泵的频繁启停，同时，因为变频器调节迅速，在实际管网对水压的波动做出响应之前，使水压平稳过渡，从而实现恒压供水。

图７　基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统流程
３．３　系统调节原理
图８所示为基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统控制框图。管网的实际供水压力值ｐ 由压力传感器检测，将检测出的结果进行Ａ／Ｄ转换，得到反馈信号ＵＦ。给定信号ＵＴ与ＵＦ相减，得到ΔＵ。ΔＵ 由ＰＩＤ调节器进行调节，通过Ｄ／Ａ转换得到模拟量ＵＧ，从而控制输出频率ｆＸ，进而调节电动机的转速ｎ，实现闭环负反馈控制，以保持水压恒定。

图８　基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统控制框图
当供水压力上升时，调节如下。

供水压力下降时的情况同理可得。
３．４　仿真实验
本文采用通用监控系统（ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ＭＣＧＳ）工控组态软件对系统进行模拟调试，将系统各个参数传至监控界面，进行变速泵切换、水泵运行状态、恒速泵状态的实时监控，并通过上位机对水泵进行运行／停止、参数设定等控制，监控界面如图９所示。
图１０所示为恒压供水系统运行结果，通过该趋势图可以让操作人员根据实际情况随时调整供水系统参数，以满足实际要求。

图９　基于ＰＬＣ与变频器的恒压供水系统监控界面

图１０　系统运行结果
４　结论
本文针对城市供水系统，设计了基于ＰＬＣ和变频器的闭环恒压变频供水系统。该系统利用ＰＬＣ和变频器对供水系统进行逻辑控制和压力调节，使用ＰＩＤ调节器进行运算得到调节参数，从而实现变频和工频之间的切换，自动地调整电动机的转速和水泵电动机投入的台数，实现了恒压供水。实验结果表明，该系统结构简单、起动平稳、压力稳定，同时还具有良好的节能效果。