基于PLC的变频恒压供水系统的设计

朱雪凌，张 娟，许智勇，平 增

（1．华北水利水电学院，河南 郑州 450045;2．河南省新郑市供电公司，河南新郑 451100）

随着我国城市化的快速发展，高层建筑不断增多，由于居民用水量的不稳定性，经常导致用水高峰期水压较低，供水量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法正常用水的状况．传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量．然而，这些办法或自动化程度低，能量损耗大，压力变化大，或因为维护工作量大，水质容易受N次污染［1］．随着人们生活质量的提高，以及对高效节能和设备使用寿命的要求的提高，这些方式都将逐渐被淘汰．因此，开发全自动的变频调速恒压供水系统越来越受到人们的重视和青睐．笔者针对高层楼宇供水问题，提出了采用PLC作为中心控制单元，与变频器、水泵电机及控制电路相结合来构成闭环压力调节系统，根据系统状态快速调整供水量，使系统具有节能、工作可靠、自动控制程度高、经济易配置等优点，可在生产、生活中得到广泛应用［2］．

1 变频恒压供水系统的理论分析与方案设计

1．1 变频恒压供水系统的理论分析

目前，水泵电机通常由三相交流异步电动机来

式中：n为电机转速;M为输出转矩;P为输出功率．

由式（1）可知：水泵具有平方转矩负载特性，当用水量减少时，电机转速降低，电机转速的微量减小，将使输出功率大幅下降［4］．

1．2 变频恒压供水控制系统控制方案的设计

根据居民的实际用水情况，设计合理可靠的供水系统，使其在满足用户正常用水的同时，确保供水设施的安全运行．本设计从控制要求入手，分析系统的工作原理，选取相应设计方案，设计相应控制策略和控制流程，最后对其进行PLC的控制设计．

PLC的控制系统的主要任务是保证居民小区生活用水的可靠性．根据居民楼用水的现场实际情况，1 d之中用水量会有若干个高峰期或低谷期，变频驱动，对水泵的调速通过对其电机转速的调节来实现［3］．而电机转速的调节主要通过变频调速装置同时改变电压和频率来实现．

变频调速系统通常是使用变频器拖动电机来实现电动机的软启动和无级调速，从而使鼠笼式异步电动机获得更高性能．在分析水泵的负载特性时，常采用下列的一组公式：器则根据出水口的压力调节水泵的转速与投切．系统的硬件部分主要包括变频器、压力传感器、PLC、电气控制柜、水泵机组和低压电器等．

2 基于PLC的变频恒压供水系统的工作原理

将压力传感器提供的管网压力信号，传送给变频器，根据传感器的采样值与变频器的设定值进行比较，通过内置的PID功能进行数据处理，将处理结果作为变频器频率的给定输入，控制变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，保持供水管道的压力恒定．在用水高峰期，居民用水量增加，管网压力随之下降，此时压力的变化通过PID运算后，最终应使变频器输出频率增加，使水泵电机转速增加或增加投入运行的水泵台数，以此来增加管网压力，保证供水能力．当用水量较少时，管网压力将增加，压力的变化通过PID运算后使变频器输出频率下降，电机转速下降或减少运行的水泵数量，以此来减小管网压力，保持恒压供水．图1为恒压供水系统自动控制原理图．

图1 恒压供水系统自动控制原理图

2．1 控制策略

该控制系统的基本控制策略是，利用PLC作为主控制器来控制变频器对电机进行无极调速，以此达到恒压供水的目的，从而满足居民的正常用水需求．系统采用3台功率为33 kW的主电机根据检测信号工作在工、变频运行方式下，从而驱动水泵提供用水，在工作过程中要求2台运行1台备用．在实际控制中，避免备用电机长期不用而锈蚀，所以要定期更换备用电机，对主电机进行分组控制．图2为变频恒压供水系统主电路图．

图2 系统主电路图

2．2 供水工况划分

由规模相近小区的历史数据可知，某小区最大用水量已达到265 m3/h，夏秋两季的用水量可能会超过300 m3/h［5］．根据近几年来的用水量情况及操作经验，该小区的供水工况划分情况见表1．

表1 某小区供水工况划分结果

用水量很大的情况出现在夏秋两季，其他4种情况在4个季节都可能出现．

2．3 控制过程

在现实用水过程中，高层居民用水量是不断变化的，所以系统应根据管网压力的变化实时升降频、加减泵，以此使管网压力始终保持恒定，以保证可靠用水，又节约电能．如，当M1处于变频运行状态下，居民用水量增加，变频器升频使M1的转速增加来维持供水压力稳定．若用水量不断增加，M1的变频控制在最大输出时仍不能满足要求，则PLC逻辑投入M2，即M1工作于工频状态下，M2工作于变频状态下．若用水量仍不断增加，M2的变频控制在最大输出时仍不能满足要求，则PLC逻辑投入M3，即M2工作于工频状态下，M3工作于变频状态下．若此时用水量减少，则变频器降频使M3转速降低，来降低水压．若此时用水量仍不断减小，当最小输出仍造成水压过高时，用PLC切除M3．其他过程类似．

3 变频恒压供水系统的变频器的参数设计

3．1 PID 控制

一个好的控制过程就需要一个好的控制器［6］．对于恒压供水系统，使用的是变频器内置的PID调节器，通过对水压的闭环控制来保证水压恒定．图3为恒压供水的系统控制图．

图3 恒压供水的系统控制图

将式（4）离散化的差分方程为

PID输入和输出的关系为

为了减少计算量和节约内存，将式（5）化为递推关系式形式，即

此种算法可以减小误动作时的影响，便于无忧切换，且在故障时，能够保持原值，算式中不需要累加，易通过加权处理获得较好的控制效果［7］．

当控制系统中被控对象得不到精确的数学模型，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制［8］．为满足系统性能要求，必须对PID控制器的参数KP，KI，KD进行整定．文中采用经验数据法对其进行整定．选择KP=3．45，KI=8．02，KD=1．76 作为第 1组试验参数，将系统模拟投入运行，做闭环调试．图4为其对应的PID校正控制的阶跃响应曲线．

图4 PID校正控制的阶跃响应曲线

由图4可知，系统的暂态性能指标为：Tr=1．15 s，tp=2．63 s，ts=15．1 s，其暂态性能不满足要求．根据图像，适当改变参数大小，令KP=9．50．KI=8．625，KD=1．76，再做仿真．图5 是 PID 参数改变后校正控制的阶跃响应曲线．

由图5可知，系统的暂态性能指标为：Tr=0．784 s，tp=1．92 s，ts=3．86 s，δ=18．3%，完全满足要求，可以将其作为第1组参数投入运行，在实际供水过程中，再根据实际情况做适当调整，直到找到相对最佳的控制效果为止．

由此可见，将PID算法应用于恒压供水系统中，不仅可大大提高系统的控制精度，使其动态响应和调整更加快速稳定，而且抗干扰性强，还节约成本．

图5 PID参数改变后校正控制的阶跃响应曲线

3．2 变频器的参数设定

正确的变频器设置对系统性能的影响至关重要，表2列出了变频器关键参数的典型设置值．

表2 变频器参数设置情况

4 变频恒压供水系统的PLC设计

PLC是按程序实现控制的［9］．基于西门子PLC：S7－200的硬件环境，利用 STEP 7－MICRO/WIN V3．2版编程软件来完成编程．编译后通过PC/PPI通信电缆把程序下到PLC，通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户序号来实现控制任务的完成的［1］．由系统可知，其I/O分配见表3．

表3 数字量I/O分配表

主要的控制程序有：系统初始化程序、数据传递和处理程序、水泵电机切换程序、事故处理和报警程序等．下面重点介绍水泵电机切换程序，图6为水泵电机投切流程图．

图6 电机投切流程

5 结语

针对某小区水泵站的供水要求，设计了基于PLC的变频器恒压供水系统：采用增量式PID算法，利用变频调速完成电机转速的控制，实现恒压供水系统的设计;分析了变频恒压供水系统原理和节能原理;研究了变频恒压的控制策略;设计了变频恒压供水控制系统的控制程序;保证了居民的用水质量，且高效节能，自动化程度高，保护功能齐全，运行稳定可靠．

［1］刘小春．恒压供水系统控制及组态监控系统［D］．长沙：中南大学，2008．

［2］石艳．组态软件在恒压供水控制系统中的应用［J］．微计算机信息：测控自动化，2008，24（19）：75 －77．

［3］魏书杰，王凤涛，杨岑磊，等．PLC和变频器在恒压供水系统中的应用［J］．中国造船，2009，50（s11）：808 －814．

［4］王岚．居民小区变频恒压供水控制系统设计与实现［D］．南京：南京理工大学，2008．

［5］梁远博，王珊珊，雷红玲．基于专家知识的恒压供水控制算法研究［J］．现代电子技术，2009，15：178 －180．

［6］杨庆生．恒压供水PID自控系统设计［J］．考试周刊，2011，28：175．

［7］徐建明．PID控制器及其设计方法研究［D］．杭州：浙江工业大学，2002．

［8］白金．基于S7－200 PID指令算法的恒压供水自动化系统［J］．自动化技术与应用，2009，28（12）：121 －123．

［9］金沙，耿惊涛．PLC应用技术［M］．北京：中国电力出版社，2010．