李永春[1]张之枫[2]
河南理工大学郑州，河南郑州450000
电力职业技术学院，河南郑州450000
中图分类号：TU99文献标识码：A文章编号：41-1413（2011）08-0000-01
摘要：本设计主要针对工厂、都市乡村等恒压供水系统设计，实现供水水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成多种功能。从当前节能技术的实践出发，阐述了PLC控制技术和变频调速技术在供水系统中的应用。在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
关键词：变频器；恒压供水；PLC；PID
引言
恒压供水的基本思路是：采用电机调速装置控制水泵组调速运行，并自动调整水泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节能的目的。系统任意设定供水压力值，其与反馈总管的实际压力值通过PID调节后控制调速装置，以调节水泵机组的运行速度，从而调节系统的供水压力。该系统采用变频器和PLC进行联合控制。变频器采用PID恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。PLC对水泵的运行模式、机组的选择及机组的起动停止等进行控制。以上控制信号都为PLC的输入信号。
一、变频恒压供水系统的现状
长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在这种供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求
变频器可以优化电机运行，所以也能够起到增效节能的作用。根据全球著名变频器生产企业ABB的测算，单单该集团全球范围内已经生产并且安装的变频器每年就能够节省1150亿千瓦时电力，相应减少9,700万吨二氧化碳排放，这已经超过芬兰一年的二氧化碳排放量。
变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置PID调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知PLC进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的启停将联动其出口阀门。
二、PID控制
根据反馈控制原理，我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现代控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID控制来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可实现该算法，同时对PLC的编程来实现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
为维持供水网的压力不变，在管网上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，为提高响应速度，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
三、PLC的特点及应用
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。
1．PLC技术特点
可编程序控制器是专为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点：
（1）可靠性高
（2）控制程序可变，具有很好的柔性
（3）编程方法简单易学
（4）功能强，性能价格比高
（5）体积小，重量轻，能耗低
2．PLC的应用
由于可编程控制器的上述特点，使其在国民经济的各个领域都得到了广泛的应用，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面。
（1）开关量逻辑控制
（2）运动控制
（3）过程控制
（4）数据处理
（5）通信联网
四、变频恒压供水系统的设计
1.恒压供水系统电气控制图：
图1恒压供水系统电气控制图
三台水泵由变频器直接驱动,进行恒压控制,变频器的起动、停止分为手动和PLC自动控制。
2.变频调速恒压供水系统软件设计
为方便编程和调试,系统控制器PLC采用模块化编程,主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块三个部分构成。
3.变频器参数设定
变频器参数和PID参数设定按照使用说明和经验整定。五.结束语
采用PLC作为控制器,硬件结构简单,成本低,系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统是目前最先进，合理的节能供水系统，与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大优势。
参考文献：
[1]吴小军等，电气控制与可编程序控制器应用[M]北京中国建材工业出版社，2004
[2]SIEMENSSIMATICS7-200可变程序控制机器[M]北京西门子(中国)有限公司自动化部，2002
[3]贺玲芳、基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统、西安科技学院学报、2000.9、第20卷、第3期。