变频恒压供水PLC控制系统的设计

变频恒压供水PLC控制系统的设计

摘要：目前，我国的供水方式正朝着高效节能、自动化的方向发展，采用现代科学技术和变频技术，实现恒压供水自动化系统。基于此，本文就对变频恒压供水PLC控制系统的设计进行了一定的分析，希望可以为有关人员提供一定的借鉴。

关键词：PLC；恒压供水；控制系统；设计

我国目前的供水设备还处在智能化水平较低、自动化程度较低的状况。PLC 具有较高的可靠性，较好的性价比，价格低廉，适应性广，便于扩充的优点。将PLC技术和变频技术相结合，并将其用于恒压供水是当前系统设计的必然趋势。恒压供水系统的首要目标是保证管网内的水压不变。由于水泵电动机的转速随着流量的变化而经常发生变化，为了保证管网水压的稳定，需要采用变频调速装置为水泵电机供电。

1变频恒压供水详细情况

小区内的生活用水因季节、昼夜差异较大，因用水与供水的不均衡主要体现在水压上，也就是用水量多、供水不足、水压低、水量少。目前，国内的城市给水、工业生产的循环水等技术还处于起步阶段。随着电力电子及计算机控制技术的发展，以PLC为主要控制器，变频调速装置为执行器，实现了恒压、节水、节能的供水，以满足生活用水和工业用水的需求[1]。新的变频恒压供水系统在设备投入、运行经济性、稳定性、可靠性、自动化等方面均有明显的优越性，并且节能效果明显。恒压供水系统的上述优点吸引了国内各大供水企业的关注，并不断投入研发、生产该高科技产品。随着城市建设、智能楼宇的发展、供水网络的调度以及总体规划的需要，传统的单泵、恒压系统逐步被多泵控制取代。尽管单泵产品系统结构简单、可靠，但是单泵电机的深度调节会导致水泵和电机的效率低下，而多泵产品的投资更少，运行效率更高。

2 PLC变频恒压供水控制系统设计理论

2.1PLC变频供水系统的基本特性

在实际使用中，一般使用离心泵，以离心速度驱动水流，使水进入给水管道。根据具体的离心式水泵的给水转动曲线显示资料，可以得出，在实际的给水工作中，扬程与其流量成反比例。在实际给水中，离心泵的给水压力随水量的增加而

降低。因此，在给水过程中，扬程的大小决定了其基本的给水关系。

2.2PLC变频供水系统的能耗分析

在供水系统的设计中，必须重视对其进行能量分析，只有通过对其进行能量

分析，才能使其在实际应用中得到最大的效益。根据水泵的转动频率和水流的流

速来进行能量分析，在实际的给水中，由于泵的压力不够大，存在着供水压力不

足的情况，从而增加了供水系统的能源消耗。如果在实际给水过程中Q1和扬程

H1是固定的，则Q1向Q2的变化将使给水的能量消耗增加，从而使给水的阻力曲

线发生变化。

2.3系统构成

压力传感器通常设在泵站出口，它的主要作用是控制管网中的水压。通常情

况下，在用水量较大时，水压变化通常都很小。而压力传感器一般把用水量的变

化转换成电流或压力变化的幅度，并把数据传送到稳压器上[2]。调节器中有一个

预先设置好的管道压力，当测量到压力传感器给出的水压时，它会根据测量值和

实际测量值，对其进行综合分析，并按照相关的调整规则，给出相应的调整信号。

例如，当调压器收到测量水压的时候，与给定的水压进行对比，结果显示，

测量的水压小于规定的水压，说明系统的水压没有达到理想的水压，而当测量值

大于规定的水压时，控制器就会发出一个信号，使水泵的速度下降。此外，所述

稳压器的输出信号典型值是一个在4毫安至20毫安之间的电流信号，或一个0

至10伏之间的电压信号，其大小通常正比于上述的给定值和测量值之间的差值，从而驱动所述执行装置。调整器将会发出一个信号来提高或降低水泵电机的速度。

2.4供水系统工作流程

第一步，在系统通电，在变频设备开始工作之后，将水泵电机M1拖动，PLC 计算出变频调速器的输出频率，再由变频调速器调整M1的旋转速度，水泵电动机M1处于调速操作状态。在测量出的压力达到一定的范围后，供水和用水达到了一个平衡，并且转速达到了一个稳定的水平。

第二，随着测量水压的降低，压力传感器的反馈信号会降低，这表明，在这个时候，用水量越来越多，水压的变化也越来越大，变频器根据偏差值调整输出频率来控制水泵的速度，直到泵的转速达到一个新的稳定值，才能满足供水的需要。而在测量到水压升高后，变频装置会根据误差调整输出频率，使水泵电机的速度降低至一个新的稳定值。

第三，在测量到水压升高后，变频调速装置会降低输出频率，如果在这个时间频率仍在上限频率以上，仍无法将实际水压降到设置压力以下，则在减少泵的条件下，PLC会关闭发出指令的工频工作状态的水泵M2，并将水压降到一个预设值。

2.5工作原理设计

关闭空气开关，供水系统开始工作。手动/自动开关打至自动，系统进入全自动运行状态。 PLC中序首先接通KM6，启动变频器。PID调整是根据压力设定值（根据管网压力要求设定）和压力实际值（来自压力传感器）之间的偏差，并且向变频器输出给定频率信号。变频器根据给定的频率信号和预先设定的加速时间，对水泵转速进行控制，使水压保持在设定压力的上下限范围内，实现恒压控制。同时，变频器的运行频率达到上限时，将信号发送给 PLC, PLC根据管网压力的上下限信号以及变频器的工作频率是否达到上限信号，由程序判断是否启动第二泵（或者第三泵）。当变频器的工作频率达到最高频率并保持一定时间后，PLC就会把当前的变频调速泵转换成工频运行，然后迅速启动下一台水泵变频运行。此时 PID将通过远端压力表的检测信号继续分析、计算和判断，从而进一步控制变频器的工作频率，使管压保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。

2.6变频调速系统设计原则

在实际工作中，变频恒压供水控制系统的设计应严格遵守：第一，在设计水

库的能力时，应确保其容量大于单位小时最大供水能力。第二，在确定水泵的扬

程高度时，应确保水泵的最高水位高于每小时的最高水位。第三，在设计抽水总

流量时，应确保抽水总量大于其小时最大供水能力。只有严格遵循上述原则，才

能确保变频恒压供水系统的稳定运行。同时，也能极大地改善用户的使用体验。

3控制系统设计

3.1控制系统组成

根据系统按照技术需求，采用了当前比较成熟的交流变频恒压供水控制方案。建立控制系统的结构框图。该系统由PLC，变频器，水箱，供水系统，供水管网，各种传感器和仪表组成。

3.2系统的控制过程

利用压力计对管网压力进行实时监测，并将其传输到PLC,PLC根据测量结果

与设置值进行对比，进行PID调整。第一台水泵采用变频方式启动，在水压不足

的情况下，先进入工频工作，然后启动第二台泵进入变频，如此反复，直至第3

个台水泵启动；停机时，首先停止工频水泵，然后停止变频水泵，这是一种先启

动后停止的原则。变频调速器是通过调整水泵机组的运行台数和调速来实现对管

网压力的控制。

3.3控制硬件设计

本文对变频恒压供水系统中的电压信号采集模块的要求进行了研究。PLC控

制系统。变频调速器的作用是通过控制PLC的输出信号来调节水泵的速度，同时

还可以调节系统内的水量，以保证一定的供水压力。变频调速系统的选型、调速

范围、调速精度、调速方式等都是设计中的重要问题，选用西门子MM440变频调

速系统。

3.7控制软件设计