基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統設計

供水系統是人們工業生產和生活中必不可少的公共設施之一。隨著智能樓宇建筑的迅速發展，人們對供水系統的可靠性和穩定性有著更高的要求。再加上現在能源緊缺，設計節能、穩定、工作可靠的恒壓供水系統是必然趨勢。
傳統供水系統的提升方式是采用水塔、高水位水箱或氣壓罐等設備，這些設備經濟成本高并且能量消耗較大。
而基于ＰＬＣ和變頻器的恒壓供水系統將電氣控制技術與變頻器技術融為一體，大大提高了供水系統的可靠性和穩定性。同時，供水系統節能效果明顯，這在能源日漸緊缺的今天顯得尤為重要。因此，研究基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統對改善居民生活水平、提高工業生產效率、節約能源等具有非常重要的意義。設計了以ＰＬＣ為核心的變頻恒壓供水系統，以解決城市供水管網的水壓浮動較大的問題。根據網管的壓力自動地調節供水量，解決了居民生活用水的水壓波動問題，實現了恒壓供水。但是上述方法仍然存在著諸多問題，比如運行成本高，供水壓力不穩定等。因此，本文利用變頻器對水泵電動機進行變頻調速，利用ＰＬＣ控制變頻－工頻切換，經ＰＩＤ調節器進行壓力調節，從而設計閉環供水自動控制系統，以實現恒壓供水。
１　供水系統介紹
１．１　供水系統主要參數
供水系統如圖１所示。水泵將水池中的水抽出，并上揚至一定高度，以滿足工業生產和生活所需的供水壓力和水流量。

圖１　供水系統示意圖
１）流量
在單位時間內流過管道某一橫截面的水量，稱之為流量，用Ｑ 表示，單位為ｍ３／ｓ、ｍ３／ｍｉｎ或ｍ３／ｈ。
２）壓力
水在管路中的壓強，稱為壓力，用ｐ 表示，單位為Ｍｐａ。
３）全揚程
單位質量的水被水泵所上揚的高度，稱為揚程，如圖１所示。將水上揚到一定高度，是水由動能轉化成勢能的過程。在這個過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，全揚程就可以定義為在忽略管道阻力的情況下，水泵將水上揚的最大高度。全揚程可以說明水泵的泵水能力，用ＨＴ表示，單位為ｍ。
４）損失揚程與實際揚程
水在管道中流動時克服管道阻力所做的功，必定會有一定的揚程損失，這部分揚程稱之為損失揚程。因此，水泵將水克服一切阻力后所上揚的實際高度，稱為實際揚程，實際揚程是全揚程與損失揚程相減的差值，用ＨＡ表示。
５）管阻
在管道系統中，管路、截門等管件對水流的阻力，稱為管阻。
１．２　供水系統的特性
１）水泵的揚程特性
水泵的揚程特性為在轉速一定的條件下，全揚程ＨＴ和流量Ｑ 之間的函數關系ＨＴ＝ｆ（Ｑ）。如圖２所示的曲線“３”為在額定轉速情況下水泵的揚程特性，曲線“４”為在轉速下降時水泵的揚程特性。圖中Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４個點是供水工作點。
當系統工作于曲線３的Ａ 點時，用戶用水需求量較小，所對應的流量ＱＡ較小。此時，所對應的全揚程ＨＴＡ較大。
當系統工作于曲線３的Ｂ點時，用戶用水需求量較大，所對應的流量ＱＢ較大。此時，所對應的全揚程ＨＴＢ較小。

圖２　調節流量的方法
可見，揚程特性反映了用戶用水需求量的大小。
２）管道阻力特性
管道阻力特性為在管道閥門開度一定的條件下，全揚程ＨＴ和流量Ｑ 之間的函數關系ＨＴ＝ｆ（Ｑ），簡稱為管阻特性。如圖２所示的曲線“１”和曲線“２”。
管阻特性的意義是為了提供一定的供水流量所需的全揚程的大小。圖２中，曲線“２”是閥門全開時的管阻特性。
由Ｃ點所對應的流量ＱＡ和Ｂ點所對應的流量ＱＢ
可以看出，當供水流量較小時，所需的揚程ＨＴＣ也較小；當供水流量較大時，所需的揚程ＨＴＢ也較大。
１．３　恒壓供水的控制目標
滿足用戶對流量的要求是供水系統的控制目標，而流量的大小取決于水泵的揚程，但是對水泵揚程的測量與控制比較困難。設Ｑｇ為供水能力，Ｑｎ為用水需求量，ｐ 為管道中水壓，則三者之間的平衡關系如下：
當供水能力Ｑｇ大于用水需求量Ｑｎ時，則水壓ｐ 上升；
當供水能力Ｑｇ小于用水需求量Ｑｎ時，則水壓ｐ 下降；
當供水流量Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ時，則水壓ｐ 不變。
所謂供水能力是指水泵所能提供的水流量，其大小取決于水泵的容量大小和管道的阻力情況。而用水流量是指用戶實際使用的需求量，其大小取決于用戶的用水量。因此，供水能力和用水流量之間的矛盾主要反應在水壓力的變化上。所以，控制了水壓力也就相應地控制了流量，這就是恒壓供水所要控制的最根本目標。
１．４　供水系統流量的調節方法
在供水系統中，最基本的控制對象就是流量。常用調節流量的方法有閥門調節和轉速調節兩種。
１）管道閥門調節
在保持水泵轉速不變（額定轉速）的前提下，通過改變閥門開度來調節供水流量的方法，稱為閥門控制法。閥門調節水流量的實質就是水泵供水能力保持不變，用調節閥門開度來調節供水流量，即通過改變管路中阻力大小來改變供水流量。
在圖２中，減小閥門開度，使供水流量由ＱＢ減小到ＱＡ，管阻特性將由曲線“２”變化到曲線“１”，而揚程特性保持不變，仍然為曲線“３”，供水工作點由Ｂ點移至Ａ點。此時，流量減小了，揚程由ＨＴＢ增大到ＨＴＡ。
２）水泵轉速調節
在保持閥門開度不變的前提下，通過改變水泵的轉速來調節供水流量的方法，稱為轉速控制法。轉速調節水流量的實質就是在閥門開度最大且保持不變的情況下，通過改變水泵的轉速來調節供水流量，即通過改變水泵揚程來改變供水流量，以適應用戶用水需求量。
在圖２中，降低水泵轉速，使供水流量由ＱＢ減小到ＱＡ，揚程特性將由曲線“３”變化到曲線“４”，而管阻特性保持不變，仍然為曲線“２”，供水工作點由Ｂ點移至Ｃ點。此時，流量減小了，揚程由ＨＴＢ下降到ＨＴＣ。
將管道閥門調節方法和水泵轉速調節方法相比較，可知，采用調節水泵轉速的方法來調節水流量，降低了電動機使用功率，從而達到了節能的目的。因此，本文采用的就是調節水泵轉速的方法。
２　恒壓供水變頻調速系統控制原理
２．１　恒壓供水變頻調速系統構成
圖３所示為恒壓供水變頻調速系統示意圖。由圖３可見，變頻器有兩個控制信號。

圖３　恒壓供水變頻調速系統框圖
１）目標信號ＸＴ
目標信號ＸＴ是變頻器模擬給定端“ＦＶ（０）”得到的信號。該信號與壓力的控制目標值相對應。
２）反饋信號ＸＦ
反饋信號ＸＦ是由壓力變送器ＳＰ反饋到變頻器模擬輸入端“ＦＩ（０１）”的信號，該信號反映了實際壓力值的的大小。
２．２　壓力傳感器
壓力傳感器可以通過檢測供水總管路的出水壓力，從而為系統提供反饋信號。壓力傳感器種類有多種，常用的兩種壓力傳感器有壓力變送器和遠傳壓力表。圖４所示為這兩種壓力傳感器的接法。
１）壓力變送器ＳＰ
如圖４（ａ）所示，壓力變送器是將流體壓力轉變為電流或電壓信號輸出的器件。所以，壓力變送器的輸出信號是隨著壓力變化而變化的電流或電壓信號。當距離比較遠時，電流信號應取４～２０ｍＡ。本文采用的是壓力變送器。
２）遠傳壓力表Ｐ
如圖４（ｂ）所示，其基本結構為在指針軸上添加一個可以使電位器滑動的觸點裝置，實質上就是一個阻值隨著壓力變化而變化的電位器。

圖４　壓力傳感器及接法
２．３　系統工作原理
圖５所示為變頻器內部ＰＩＤ控制框圖。由圖５可見，給定信號ＸＴ與反饋信號ＸＦ兩者之間是相減的關系，其相減結果得到偏差信號ΔＸ＝ＸＴ－ＸＦ。通過ＰＩＤ調節，得到了頻率給定信號ＸＧ，此信號可以控制變頻器的輸出頻率ｆＸ。

圖５　變頻器內部ＰＩＤ控制框圖
１）用水需求量減小時的平衡過程當用戶用水需求量減小時，供水能力Ｑｇ大于用水需求量Ｑｎ，則ｐ 上升，ＸＦ也上升，ΔＸ 減小，ｆＸ下降，從而使電動機轉速降低，Ｑｇ下降，直至ｐ 恢復到目標值。當供水能力Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ時，恢復供需平衡。
２）用水需求量增加時的平衡過程當用戶用水需求量增加時，供水能力Ｑｇ小于用水需求量Ｑｎ，則ｐ 下降，ＸＦ也下降，ΔＸ 增大，ｆＸ上升，從而使電動機轉速上升，Ｑｇ增加，直至ｐ 恢復到目標值。當供水能力Ｑｇ等于用水需求量Ｑｎ時，恢復供需平衡。
３　基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統設計
對于傳統的供水系統，電動機工作在額定功率，流量和出水壓力只能靠閥門來控制。使用ＰＬＣ和變頻器控制，通過控制電動機運行臺數和轉速就可以達到調節流量和壓力的目的，徹底地取消了增壓氣罐、高位水箱以及水塔等設備，排除了水質的二度污染，從而提高了供水的質量、操作方便、自動化程度高且節約能源。
３．１　多臺水泵的切換
為了保證用戶對供水流量的要求，系統常采用多臺水泵聯合供水。通過用一臺變頻器來控制多臺水泵相互協調工作，稱為“１”控“Ｘ”，其中Ｘ 是水泵臺數。在不同季節和不同時間段用戶用水需求量變化是很大的，為避免能源浪費，應采用“多用多開”，“少用少開”的原則。
３．２　主電路說明
本系統采用的ＰＬＣ型號為西門子Ｓ７－２００，變頻器型號為歐姆龍３Ｇ３ＭＸ２型變頻器，圖６所示為１控３恒壓供水系統主電路。系統采用ＰＬＣ來控制變頻器。變頻器的Ｓ１（１）端子由ＰＬＣ的Ｙ０點控制，ＳＣ（Ｌ）端子與ＰＬＣ的ＣＯＭ點相連接。在ＰＬＣ的ＣＯＭ 點設置了復位按鈕，用于變頻器的復位操作。由信號處理器的Ｕ０點和ＣＯＭ 點接變頻器的“ＦＶ（０）”和“ＳＣ（Ｌ）”端子用于變頻器頻率給定。變頻器的異常輸出信號Ａ端子接ＰＬＣ的Ｘ２點，Ｃ端子與ＣＯＭ點相連接。

圖６　１控３恒壓供水系統主電路
圖７所示為基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統的流程。系統啟動后，如果接收到頻率上限信號，則表示供水壓力過低，需要執行增泵程序，增加水泵工作數量；如果接收到頻率下限信號，則表示供水壓力過高，需要執行減泵程序，減少水泵工作數量；如果某臺水泵運行時間較長，則執行輪換程序，避免這臺水泵長時間工作。現就用水需求量非常大，需要３臺水泵全部投入運行的情況進行舉例分析。首先１號泵運行，當用水需求量變大時，若１號泵已經達到了額定頻率５０Ｈｚ，水壓還是不足，則延時一段時間，將１號泵設置為工頻運行狀態。同時，將２號泵設置為變頻運行，輸出頻率降為０Ｈｚ，逐步提高輸出頻率，當２號泵達到額定頻率５０Ｈｚ時，水壓依然不足，則將２號泵設置為工頻運行，同時，將３號泵設置為變頻運行。反之，當用水量變小時，各水泵逐一退出工頻運行。采用這樣的運行方式，可以有效地減少水泵的頻繁啟停，同時，因為變頻器調節迅速，在實際管網對水壓的波動做出響應之前，使水壓平穩過渡，從而實現恒壓供水。

圖７　基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統流程
３．３　系統調節原理
圖８所示為基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統控制框圖。管網的實際供水壓力值ｐ 由壓力傳感器檢測，將檢測出的結果進行Ａ／Ｄ轉換，得到反饋信號ＵＦ。給定信號ＵＴ與ＵＦ相減，得到ΔＵ。ΔＵ 由ＰＩＤ調節器進行調節，通過Ｄ／Ａ轉換得到模擬量ＵＧ，從而控制輸出頻率ｆＸ，進而調節電動機的轉速ｎ，實現閉環負反饋控制，以保持水壓恒定。

圖８　基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統控制框圖
當供水壓力上升時，調節如下。

供水壓力下降時的情況同理可得。
３．４　仿真實驗
本文采用通用監控系統（ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ＭＣＧＳ）工控組態軟件對系統進行模擬調試，將系統各個參數傳至監控界面，進行變速泵切換、水泵運行狀態、恒速泵狀態的實時監控，并通過上位機對水泵進行運行／停止、參數設定等控制，監控界面如圖９所示。
圖１０所示為恒壓供水系統運行結果，通過該趨勢圖可以讓操作人員根據實際情況隨時調整供水系統參數，以滿足實際要求。

圖９　基于ＰＬＣ與變頻器的恒壓供水系統監控界面

圖１０　系統運行結果
４　結論
本文針對城市供水系統，設計了基于ＰＬＣ和變頻器的閉環恒壓變頻供水系統。該系統利用ＰＬＣ和變頻器對供水系統進行邏輯控制和壓力調節，使用ＰＩＤ調節器進行運算得到調節參數，從而實現變頻和工頻之間的切換，自動地調整電動機的轉速和水泵電動機投入的臺數，實現了恒壓供水。實驗結果表明，該系統結構簡單、起動平穩、壓力穩定，同時還具有良好的節能效果。