摘要

傳統(tǒng)供水方式主要以恒速泵為動力源，使用水塔儲水，通過低壓電路來實現(xiàn)控制，由于高低峰用水水壓的不穩(wěn)定性，容易對水供給及其設備造成嚴重影響，難以滿足城市人口的供水需求，這使恒壓供水的研究設計顯得更加重要。

本設計主要包括四方面的內容：首先，對恒壓供水系統(tǒng)的需求進行分析，確定系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能；其次，對系統(tǒng)硬件進行設計，包括：PLC可編程控制器的選型、壓力變送器的選型、變頻器及液位變送器的選型；然后，根據(jù)PLC的I/O端口分配及系統(tǒng)功能要求，進行系統(tǒng)梯形圖的編寫；最后，進行MCGS仿真。

關鍵詞 恒壓供水；變頻器；PLC

城市人口用水量日益劇增，水資源的短缺，老舊的供水方式已經(jīng)不足以保證城市劇名用水的供應穩(wěn)定。老舊供水方式的不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在其不能一直保持水壓的恒定，在用水量大的時候，供小于求，水壓低，在用水量小的時候，供大于求，水壓高，這樣的供水方式不僅導致用戶的用水服務質量差，而且會浪費資源。同時，壓力過低會造成水泵的空載運行，嚴重影響水泵壽命，壓力過高時，會對水管造成過量負荷，導致水管的磨損甚至爆裂。恒壓供水控制系統(tǒng)未普及之前，出現(xiàn)了許多供水方法，如：恒速泵直接供水系統(tǒng)、恒速泵與水塔的供水方式等。這些供水方式劣勢明顯，主要體現(xiàn)在能耗高、供應不穩(wěn)定、高水質量差。為了能更加合理的分配資源，滿足人們的需求，本文充分運用自動控制、PLC等綜合技能，優(yōu)化供水系統(tǒng)，使各用水場所的供水能力得以提升。

本次課題是關于恒壓供水控制系統(tǒng)的設計，因為恒壓供水系統(tǒng)具有恒壓供水、節(jié)能減耗、自動化控制和安裝簡便等優(yōu)點，非常適合現(xiàn)在我國用水壓力大，高層用水難的國情需要。其主要的工作原理是通過壓力變送器反饋管網(wǎng)內的壓力信號輸入PLC的可拓展模塊中與給定壓力進行比較，再輸入變頻器中對水泵實現(xiàn)無極調速。當管網(wǎng)內的壓力低，變頻器增大水泵的轉速，提高供水量。反之減緩水泵的轉速，減小管網(wǎng)內水壓，降低供水量，實現(xiàn)恒壓供水。

變頻調速技術是比以往出現(xiàn)的任何一種調速技術都強的當代調節(jié)技術，是效益良好、應用廣泛、性能穩(wěn)定的電機調速技術。使用變頻調速技術，水泵的起動和停止時間都得到了延長，因為變頻器使水泵的工作電源逐漸遞增和遞減，這樣的工作方式對電網(wǎng)的供水實現(xiàn)了緩沖作用，使電網(wǎng)能夠安全供電，同時減輕了水泵因為機械轉矩作用的機械損耗，延長了水泵工作壽命，減少了資源的浪費。

在國內外關于恒壓供水系統(tǒng)的研究中，一般采用一臺變頻器啟動運行一組水泵機組，很少使用一臺變頻器只啟動一臺水泵，因為這樣的控制方式投資成本太高。隨著變頻調速技術的發(fā)展和恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)異性能被廣泛的城鎮(zhèn)用戶認可和需求，更多的PLC和變頻器廠商投入了關于恒壓供水系統(tǒng)的研究和設計。例如：法國施耐德公司所研制的有供水基板的變頻器，其在有供水基板的變頻器上集成了可編程控制器和PID調節(jié)控制器，通過預先設定的代碼和內置的接觸器來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，這樣設置的控制系統(tǒng)雖然結構簡單，但是其系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度性不高，在實際使用中，會受到限制。

恒壓供水控制系統(tǒng)的主要特點體現(xiàn)在可靠性高，抗干擾能力強等。恒壓供水系統(tǒng)的廣泛使用不僅能夠提升供水的服務質量，并且可以改善城市用水的安全性和節(jié)能性。在資源日益短缺的國情下顯得很加重要。所以該系統(tǒng)的設計，對于如今講究效率，降低能耗的政策顯得很具有現(xiàn)實意義。

1.2 研究的主要內容

研究內容：

（1）系統(tǒng)的工作原理；

（2）系統(tǒng)硬件設計，包括：PLC、變頻器、壓力變送器和液位變送器；

（3）系統(tǒng)軟件設計，包括：高峰用水時恒壓供水，低峰用水時水泵的自行輪休；

（4）Step7梯形圖的編寫；

（5）MCGS組態(tài)軟件設計。

2 恒壓供水系統(tǒng)的設計方案

2.1 系統(tǒng)需求分析

在常見的供水系統(tǒng)中，一般應用是的就是恒速供水系統(tǒng)。實際水壓的大小是根據(jù)用戶用水量的大小來決定的，這是一個不穩(wěn)定，每時每刻都在變化的數(shù)值，然而采用恒速供水系統(tǒng)的供水方法，只有通過切換水泵組來實現(xiàn)應對管網(wǎng)內水壓大或水壓小的情況。因此要保持管網(wǎng)內水壓穩(wěn)定，水壓大小保持恒定，恒速供水系統(tǒng)是很難完成的。而且不停的切換水泵組，就是不停的啟動停止水泵。電機常開常閉是不允許的，這樣嚴重時會導致設備的損壞，或者減短水泵的使用壽命，并且造成大量能耗，不能實現(xiàn)資源的節(jié)約。而另外一種調節(jié)閥門的供水方式，維護成本大、供水不夠精確、浪費資源，嚴重時會導致整個管網(wǎng)的癱瘓。而本次設計的恒壓供水系統(tǒng)就需解決這些問題。

首先，要面對的是對管網(wǎng)內壓力值的實時監(jiān)控，一般選取管網(wǎng)出水口作為壓力值的輸入信號，在本次設計中使用壓力變送器來測量這些數(shù)據(jù)并傳送進入PLC中，進行PID調節(jié)控制，減少誤差和調節(jié)精度，最后通過變頻器來改變水泵轉速實現(xiàn)確保管口出口處水壓值的穩(wěn)定不變。設計中采用一臺變頻器控制三臺水泵的方式，這樣的控制方式使同一時間內，只有一臺水泵在變頻運行，方便水泵在變頻和工頻之間的切換。在應用中，運行情況是一臺變頻泵運行，另外兩臺水泵是否在工頻運行，需要根據(jù)實際的供水需求來決定。以這種的方式來滿足用水客戶的需求。

其次，水泵的長時間工作會導致電機組發(fā)熱導致線路老化，所以為了水泵能夠延長壽命。需要實現(xiàn)的是水泵的自行輪休即先開先停。

最后，因為壓力傳感器是主要檢測環(huán)節(jié)，變頻器是控制環(huán)節(jié)。所以如果出現(xiàn)了故障，那么為了不影響供水應該在設備上加上切換開關，來實現(xiàn)手動控制。

2.2 系統(tǒng)方案選擇

在上文設計中，主要介紹了系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)工作原理可以知道系統(tǒng)主要包含的硬件有壓力變送器、變頻器和水泵機組等。對于恒壓供水的設計，需要使系統(tǒng)能夠有效的控制多臺水泵的變頻與工頻運行的切換來實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定，同時系統(tǒng)還需要方便各個變送器與控制單元之間數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)這些要求，共有三種方案可供選擇：

（1）有供水基板的變頻器 水泵機組 壓力變送器

這種方案是在有供水基板的變頻器上集成了可編程控制器和PID調節(jié)控制器，通過預先設定的代碼來實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。這樣設置的控制系統(tǒng)雖然結構簡單，體積小，成本低，但在系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度不高、動態(tài)性能難以保證，很難實現(xiàn)恒壓供水的穩(wěn)定性。其可拓展功能少，數(shù)據(jù)通信困難，所以僅能應用在要求精度不高的小容量供水場合。

（2）通用變頻器 單片機（包括變頻控制、調節(jié)器控制） 壓力變送器

這種系統(tǒng)方案是具有高性價比的，主要體現(xiàn)在其系統(tǒng)的精度高和PID調節(jié)器算法的參數(shù)選取簡便，但使用的單片機決定其系統(tǒng)在實際調試應用中，程序修改不靈活導致系統(tǒng)可調性差。而且變頻器運行時，會產生干擾信號。在系統(tǒng)應用時，要尋求能夠阻礙變頻器干擾的方法來保證系統(tǒng)的精準性。該系統(tǒng)應用的場合不廣泛，只能在特定的領域才能實現(xiàn)其應有的性能。

（3）通用變頻器 PLC（包括變頻控制、調節(jié)器控制） 壓力變送器

這種方案可靠性高，系統(tǒng)抗干擾能力強。選用的PLC具有多樣的輸入輸出接口，使各硬件之間連接簡便和數(shù)據(jù)交換靈活。并且在實際應用中，PLC系列產品的多樣化和模塊化可以根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模來組成不同的PLC型號與可拓展模塊。在硬件設計中，只要確定PLC型號、可拓展模塊型號和I/O接口分配，當系統(tǒng)要求功能發(fā)生改變時，只需重新設定PLC程序存儲器中的程序就可以滿足新的功能要求。PLC的可靠性和抗干擾性表現(xiàn)優(yōu)良，因此選用PLC的控制系統(tǒng)，其精準性能強。該系統(tǒng)具有的優(yōu)異特性使其能夠廣泛使用于各類要求的供水場合。

比較這三種方案，第三種方案具有可靠性和抗干擾性更加適合應用于本系統(tǒng)。其PLC具有的優(yōu)良特點能夠使控制系統(tǒng)靈活的應用不同要求的供水場合，其良好的抗干擾能力能提高系統(tǒng)控制精度以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

根據(jù)恒壓供水系統(tǒng)方案的選擇，設計的系統(tǒng)框圖見圖2-1。

圖2-1 恒壓供水系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要包括三個機構，分別是信號檢測機構、控制系統(tǒng)機構和執(zhí)行機構。

1、信號檢測

（1）要檢測的信號主要是由壓力變送器和液位變送器檢測和傳輸?shù)?/span>，壓力變送器主要采集的是管網(wǎng)出口出的壓力信號，而液位變送器則是測量水箱的水位信號。壓力信號是恒壓供水控制中最為重要的一個模擬信號。

（2）系統(tǒng)是否在正常的狀態(tài)下運行，變頻器是否出現(xiàn)了故障了，可以通過報警信號來反映出來。

2、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要是由變頻器控制水泵運轉，其運轉循環(huán)的方式有兩種：變頻循環(huán)式和變頻固定式。在本次設計中，采用的是變頻循環(huán)式，其工作方式是：變頻器循環(huán)運行水泵，當一臺變頻泵的運轉頻率達到上限值時，切斷變頻器與水泵的連接，連接上工頻電源運行水泵，同時啟動新水泵與復位的變頻器連接，變頻運行新水泵。而變頻固定式工作方式為：變頻器只固定運行一臺水泵，當變頻泵運行達到上限值時，啟動新的水泵連接上工頻電源，同時復位變頻器，不對變頻器的運行對象做出調整。

3、執(zhí)行機構

執(zhí)行機構是三臺水泵組成的水泵組組成。其中三臺水泵是由變頻器控制，可以在變頻和工頻之間切換的水泵組，但變頻器統(tǒng)一時間內只能運行一臺水泵。變頻泵可以根據(jù)反饋的壓力模擬信號，對電機的轉速進行調整，使管網(wǎng)內的水壓保持恒定。而工頻泵只能保持50Hz頻率恒定運行，用于變頻泵達到50Hz加泵的條件下投入運行。

基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設計的基本要求如下：

（1）恒壓供水系統(tǒng)中的水泵應該能夠實現(xiàn)自行輪休功能。在供水需要量小時，當變頻泵運行超過3個小時時，需要切換到新的水泵來變頻運行。避免一臺變頻水泵工作時間太長；

（2）為了使水泵壽命延長，水泵應該遵循先開先停，先停先開的原則。這樣的考慮不僅能夠保護水泵組，還能實現(xiàn)節(jié)約能耗的功能。

基于上述要求，對系統(tǒng)的軟件分析如下：

（1）系統(tǒng)工作泵組管理

當管網(wǎng)內水壓降低時，提升變頻泵的輸出頻率，加大供水流量。當變頻泵運行頻率達到上限卻依然無法滿足供水壓力的要求時，通過啟動新的水泵來增強水壓。反之，通過減少已啟動的水泵來減弱水壓。這個功能的實現(xiàn)主要是依據(jù)判斷變頻泵輸出頻率是否達到上下限，可以通過梯形圖的比較指令來實現(xiàn)。

（2）三臺水泵組的交替運行分析

在本設計中，對水泵的運行時間也是有嚴格控制的，當變頻泵連續(xù)運行的時間超過3個小時時，切斷其與變頻器的連接，然后將變頻器與新啟動的泵連接起來。同時，水泵組的交替運行方式在軟件中通過泵號加1的方式來控制變頻泵的循環(huán)，通過泵號和工頻泵運行總數(shù)實現(xiàn)對工頻泵的控制。

4.2 水泵切換條件分析

當管網(wǎng)出口處的實際壓力低于給定壓力，此時通過加快電動機的轉速或增加水泵來增大供水流量，達到恒壓水壓；當管網(wǎng)的實際壓力高于給定壓力，此時通過減緩電動機的轉速或減少水泵泵來減少供水流量，來達到恒定水壓，那么當變頻泵運轉達到上限或下限頻率時，怎么切換變頻/工頻水泵才能使系統(tǒng)穩(wěn)定供水，并且能減少機組切換頻率？

由于電網(wǎng)限制，50Hz為變頻器調節(jié)水泵運轉的上限頻率，0Hz為變頻調節(jié)水泵運轉的下限頻率。然而在實際應用中，由于管網(wǎng)內水壓會反方向推向水泵，會給變頻器水泵一個反向的力矩，反向水壓會阻止水池中的水繼續(xù)進入管網(wǎng)內，因此變頻器調節(jié)的下限頻率不會降到0Hz。所以在實際使用中，采用20Hz為水泵組切換變頻器的下限頻率，50Hz為水泵組切換變頻器的上限頻率。

當變頻泵運行的頻率達到上限頻率時，實際壓力在設定壓力左右波動時，如果設定壓力大于實際壓力就進行水泵機組的切換，很可能由于新加的一臺水泵組，實際壓力有可能會突然低于設定的壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，由于水泵運行的下限，設定壓力又小于實際壓力，此時又達到了切換條件，這邊增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。這樣的工作狀態(tài)無法滿足穩(wěn)定的供水壓力，也似的頻繁切換機組，增加了機組的損耗，減少了機組使用的壽命。在實際的應用中，水泵機組的切換條件判別式是通過修改得到的。

實際機組的切換條件見式（4.1）和式（4.2）：

                       式（4.1）

                      式（4.2）

式中 ——表示頻率；

——表示上限頻率；

——表示下限頻率；

——表示壓力；

——表示反饋壓力；

——表示實際壓力。