典型的变频恒压供水自动控制系统分析
摘要
随着社会的发展和时代的进步，城市高层建筑和智能小区的供水问题日益突出。一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性。针对这两方面的要求，出现了一种新的智能供水方式，这就是采用PLC和变频器控制的恒压供水系统。
本文分析的是以供水变频泵为控制对象，采用PLC和变频器两种高科技产品与继电—接触器传统控制技术相结合，设计的一套自动控制系统。该系统对传统的水塔供水系统进行自动化改造提供了新的思路。
关键词：变频恒压供水；PLC；变频器；自动控制系统；分析
传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
典型的变频恒压供水自动控制系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。
送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的压力传感器检测当前水压信号，
输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
本系统主要由变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统。本设计中有1个贮水池，3台水泵，采用部分流量调节方法，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速工频运行。PLC根据管网压力自动控制各个水泵之间切换，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，输出给变频器控制其输出频率，调节流量，使供水管网压力恒定。各水泵切换遵循先起先停、先停先起原则。
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一、工艺分析及控制要求
1.1工艺分析
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图1.1所示：
管网压力信号
报警信号 | PLC | 变频器 | 压力变送器 |
水池水位信号 | (含PID) |
M
液位变送器
用户
水泵机组
水池
图1.1变频恒压供水系统控制流程图
变频恒压供水系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压供水系统的结构框图如图1.2所示：
给定 | － | PID | D/A | 变频器 | 接触 | 水泵 | 管道 | 管网压力 |
器 | 机组 |
PLC
A/D压力变送器
图1.2变频恒压供水系统框图
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恒压供水系统通过安装在用户供水管道上的压力变送器实时地测量参考点的水压，检
测管网出水压力，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现恒压供水的关键
参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行
比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成
模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制电动机的转速，进而
控制水泵的供水流量，最终使用户供水管道上的压力恒定，实现变频恒压供水。
1.2控制要求
基于PLC的变频恒压供水系统设计的基本要求如下：
(1)由于白天和夜间小区用水量明显不同，本设计采用白天供水和夜间供水两种模式，
两种模式下设定的给定水压值不同。白天，小区的用水量大，系统高恒压值运行；夜间，
小区用水量小，系统低恒压值运行。
(2)在用水量小的情况下，如果一台水泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台水泵，
即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。倒泵只用于系统只有一台变频
泵长时间工作的情况下。
(3)考虑节能和水泵寿命的因素，各水泵切换遵循先启先停、先停先启原则。 (4)三台水泵在启动时要有软启动功能，对水泵的操作要有手动/自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
(5)系统要有完善的报警功能。
二、变频恒压供水控制系统及硬件设计
2.1网络结构设计
网络结构采用环型拓扑型式,总体结构采用三层网络结构模式,分别为调度指挥控制中心以太网、1000M工业以太网及接入系统网络。系统由主干千兆光纤工业以太环网、调度指挥控制中心骨干路由网关、工业以太网交换机以及连接用光纤、光配等组成。
主干网络的布置以调度室和水厂的交换机为核心,其它子系统交换机为系统以后的改造、信号的上传预留接口,所有交换机形成环网,并通过光纤彼此相连,从而使得各个子系统的信号可以汇总传送到调度室交换机上。
交换机采用西门子SCALANCEX - 400 工业交换机。工业以太网络采用西门子的最新工业以太网技术PROFINET网络化系统,实现网络的高可靠性、丰富的网络管理功能、模块化结构和较少的协议转换功能。
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2.2PLC硬件设计
PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入号的采集、所有输出单元的控制、恒压的实现以及对外的数据交换。因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。PLC和上位机的通信采用PC/PPI电缆，支持点对点接口(PPI)协议，PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换，用户程序有三级口令保护，可以对程序实施安全保护。
根据控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226，其开关量输出为16点，输出形式为AC220V继电器输出；开关量输入CPU226为24点，输入形式为+24V直流输入。由于实际中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以需要扩展，扩展模块选择的是EM235，该模块有4个模拟输入(AIW)，
1个模拟输出(AQW)信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D的转换，标准输入信号能够转换成一个字长(16bit)的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A的转换，一个字长(16bit)的数字信号能够转换成标准输出信号。EM235模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。
2.3电气原理图
典型的变频恒压供水自动控制系统主电路图如图2.1所示：三台电机分别为M1、M2、
M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3
的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、
FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和
三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变
速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间
超过3h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。
因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变
频泵。
3
N | FU |
L1
L2
L3
QS1 | R | S | T | QS2 | KM1 | QS3 | KM3 | QS4 | KM5 |
变频器 | |||||||||
UV W
KM2 | KM4 | KM6 |
FR1 | M1 | FR2 | M2 | FR3 | M3 |
3~ | 3~ | 3~ |
图2.1变频恒压供水自动控制系统主电路图
2.4I/O地址分配
根据以上控制要求统计控制系统的输入输出信号的名称、代码及地址编号如表2.1所示：
表2.1输入输出点代码及地址编号
名 称 | 代 码 | 地址编号 | |
输 | 供水模式信号(1-白天，0-夜间) | SA1 | I0.0 |
水池水位上下限信号 | SLHL | I0.1 | |
变频器报警信号 | SU | I0.2 | |
试灯按钮 | SB7 | I0.3 | |
压力变送器输出模拟量电压值 | Up | AIW0 | |
输 | 1#泵工频运行接触器及指示灯 | KM1、HL1 | Q0.0 |
1#泵变频运行接触器及指示灯 | KM2、HL2 | Q0.1 | |
2#泵工频运行接触器及指示灯 | KM3、HL3 | Q0.2 | |
2#泵变频运行接触器及指示灯 | KM4、HL4 | Q0.3 | |
3#泵工频运行接触器及指示灯 | KM5、HL5 | Q0.4 | |
3#泵变频运行接触器及指示灯 | KM6、HL6 | Q0.5 | |
输 | 水池水位上下限报警指示灯 | HL7 | Q1.1 |
变频器故障报警指示灯 | HL8 | Q1.2 | |
4
出 | 白天模式运行指示灯 | HL9 | Q1.3 |
报警电铃 | HA | Q1.4 | |
变频器频率复位控制 | KA | Q1.5 | |
变频器输入电压信号 | Uf | AQW0 |
PLC及扩展模块外围接线图，如图2.2所示：
4 6 8 10 | 12 14 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 | N1 | 2 | ＋－ | 压力变送器输 |
出压力信号
1L | 0.0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 2L | 0.4 | 0.5 | 0.6 | 0.7 | 1.0 | 3L | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 1.5 | 1.6 | 1.7 | 。 | 地 | N | 2.6 | AC | M | L+ | RA | A+ | A- | RB | B+ | B- | RC | C+ | C- | RD | D+ | D- | |||
2×RS485 | Q0 | 0.6 | 0.7 | Q1 | 2.3 | I2 | M | L+ | EM235 | 配置 | |||||||||||||||||||||||||||||
CPU 226 CN | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
I0 | 2.7 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
I1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
地 | M0 | V0 | I0 | 增益 | 偏移 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
1M | 0.0 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 | 1.0 | 1.1 | 1.2 | 1.3 | 1.4 | 2M | 1.5 | 1.6 | 1.7 | 2.0 | 2.1 | 2.2 | 2.4 | 2.5 | |||||||||||||||||||||
SA1 | SB7 | 输入变频器 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SU | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
水位上下
限信号 | 窗口 | 液位 |
SLHL | 比较器 | 变送器 |
图2.2 PLC及扩展模块外围接线图
本变频恒压供水系统有五个输入量，其中包括4个数字量和1个模拟量。压力变送器将测得的管网压力输入PLC的扩展模块EM235的模拟量输入端口作为模拟量输入；开关SA1用来控制白天/夜间两种模式之间的切换，它作为开关量输入I0.0；液位变送器把测得
的水池水位转换成标准电信号后送入窗口比较器，在窗口比较器中设定水池水位的上下限，当超出上下限时，窗口比较其输出高电平1，送入I0.1；变频器的故障输出端与PLC的I0.2相连，作为变频器故障报警信号；开关SB7与I0.3相连作为试灯信号，用于手动检测各指示灯是否正常工作。
本变频恒压供水系统有11个数字量输出信号和1个模拟量输出信号。Q0.0~Q0.5分别输出三台水泵电机的工频/变频运行信号；Q1.1输出水位超限报警信号；Q1.2输出变频器故障报警信号；Q1.3输出白天模式运行信号；Q1.4输出报警电铃信号；Q1.5输出变频器复位控制信号；AQW0输出的模拟信号用于控制变频器的输出频率。
三、PLC程序
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参考文献
[1]李丽敏,叶洪海,张玲玉. [J]. 自动化与仪器仪表.2008(01) [2] 李巧红. [J]. 中国科技信息.2008(20)
[3]李贵生. [J]. 山西建筑.2008(26) [4] 李燕. [J]. 中国高新技术企业.2010(04)
四、附录：
参考文献：
[1]李巧红：基于PLC的恒压供水系统研究.中国科技信息.2008(20)
[2] 李贵生：基于PLC的恒压供水自动控制系统的设计.山西建筑.2008(26) [3] 李燕.：基于PLC控制的变频器恒压供水系统.中国高新技术企业.2010(04)
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