变频调速恒压供水系统的设计与实际应用

林思克

【摘 要】变频调速恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，其采用PLC作为控制器，硬件结构简便，成本低，并能自动实现水泵电机无级调速。本文根据供水单位的要求，设计了基于PLC控制的变频调速恒压供水系统，该系统满足了用户端在用水量发生变化时仍保持水压恒定的用水要求。

【关键词】变频调速；恒压供水；无级调速；PLC控制

随着变频器的快速迭代，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用，特别是在供水行业，由电动机、泵组、压力仪表、变频器、微控制器和传感器等现代控制设备所构建的变频调速恒压供水系统以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，将我国供水行业的技术装备水平经历了一次飞跃。某一供水单位希望设计一套变频调速恒压供水系统，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。

1 变频调速恒压供水系统的总体分析

1.1 系统的功能要求

恒压供水要求用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样，既可满足各部位的用户对水的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费[1]。某供水单位为实现恒压供水这一目标，对系统提出了以下几点要求：

（1）三台水泵中1台备用，其余2台处于工作状态。为了提高设备的综合利用率，工作泵与备用泵不固定；

（2）三台水泵均可实现变速、定速运行。但水泵运行的实际台数（1台还是2台）和电机速度，还要由住户用水量的高低来决定（进行不同频率的切换）；

（3）系统具有“手动”、“自动”控制切换；

（4）系统具有较完善的保护措施，以防止、避免事故的发生和扩大；

（5）具有完整的报警功能；

（6）对泵的操作要有手动和自动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。

1.2 系统设计原理分析

变频调速恒压供水系统的工作原理如下：压力传感器将主管网水压变换为电流信号，输入PID调节运算，与给定值进行比较，得出一个调节参数，再进入变频器，变频器根据要求调速，调节水泵电机的频率。当用水量较大时，一台泵在变频器的控制下恒压运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力达到设定值时，压力传感器上传的信号经PID调节再到变频器，变频泵的频率增大，转速变大；如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值时，PLC就发出控制信号，将刚才运行的水泵切换为工频状态，用变频器起动另一个泵。由PLC控制两台泵同时工作，一台变频运行，一台工频运行，若还不能满足，则再启动备用泵，两台工频，一台变频，如果此时还不能满足需要，则全部设为工频运行。相反，如果用水量减少，则按照相反的过程减少水泵的运行量。

由于变频器的转速控制信号是由PID回路调节给出的，所以对PLC来讲，不需要有模拟量输入接口和模拟量输出接口。减少了连线和附加设备，降低了给水设备的成本，增加了整套设备的可靠性。且PID回路调节可以进行量纲的变换，因而可以进行供水压力的直接设定，直观可靠。

2 变频调速恒压供水系统的电路设计

2.1 系统的总体规划

该系统主要由3台水泵（两台生活水泵，一台备用泵）、1台变频器（内带PID调节功能）、PLC、及线性压力传感器等组成。PLC控制各台水泵的运行状态（如工频运行、变频运行、停止），从而控制水泵的运行台数，在供水中利用PID回路调节功能将检测到的现场压力值与整定值进行比较[2]。比较后的信号送至变频器，对变频器进行调节，从而达到控制电泵速度的目的。水泵的速度具体的调节是采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制。

2.2 系统的主电路设计

该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M3为备用，系统为一台变频器依次控制每台水泵实现转速的调节，并实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵[3]。主电路如图1所示。

2.3 PLC控制回路设计

控制电路包括继电器控制电路及PLC控制电路。

（1）PLC外围电路如图2所示。

上图给出了系统的PLC控制电路。其中SA1为手动/自动控制转换开关，SA2为自动起/停控制转换开关，P1表示压力小于设定值时闭合，P2表示压力大于设定值时闭合，SB1为1泵手动起动按钮，SB2为1泵手动停止按钮，SB3为2泵手动起动按钮，SB4为2泵手动停止按钮，SB5为3泵手动起动按钮，SB6为3泵手动停止按钮，SB7、SB8为变频器的启动和停止按钮，SB9为关闭报警声音按钮，SB10为复位按钮，X16、X17、X20、X21、X22分别接变频器、PLC及各电机的故障节点；KA0～KA10为中间继电器，它们分别控制KM0～KM6工作以及故障显示和报警控制。

2）继电器外部连接图如图3所示。

3 系统的工作流程（图4）

首先，开主电源和PLC电源，然后根据需要选择手动或自动，如果选择手动，则根据需要选择各泵的运行，如果选择自动，开变频器后，系统会自动根据水压情况调节水泵的运行，当用水量大，水压过小的时候，PLC和变频器配合工作，根据需要来投入各泵的运行，变频调速无法满足时，PLC将各泵调整为工频运行。当水压变大时，PLC和变频器配合工作，切除相应的泵运行，如果水压一直过大时，PLC则调整1泵为变频运行。

4 小结

本文结合供水系统的现状，根据某供水单位的要求，设计了一套以变频调速技术为基础的变频调速恒压供水系统。系统采用一台变频器拖动3台（其中一台为备用）电动机的启动、运行与调速。PLC控制三台水泵的手动和自动装置，压力表采集管网压力信号，把此信号反馈到变频器的PID环节进行控制，再经变频器进行内部调整，从而输出适当的频率，调节电机的转速，进而利用PLC控制水泵电机的工频和变频之间的切换[5]。

变频恒压供水在企业及高层生活小区的应用越来越广泛，它可取代传统的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，它具有节能、安全、高品质的供水质量等优点。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。

如果有需要，可加计算机控制和一些外围设备或器件，使其与楼宇监控中心进行通讯，进行界面管理和人机“对话”，实现远程控制。

【参考文献】

[1]张燕宾.变频调速应用实践[M].北京：机械工业出版社，2000，55-56.

[2]冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州：南华理工大学出版社，2001，26-27.

[3]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005，56-57.

[4]高湘.给水工程技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2002，56-58.

[5]高钦和.可编程序控制器应用技术与设计实例[M].北京：人民邮电出版社， 2004，33-35.

[责任编辑：薛俊歌]