恒压变频供水系统的设计与研究

张 炜， 张 民， 董 雷

(青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266520)

恒压变频供水系统的设计与研究

张 炜， 张 民， 董 雷

(青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266520)

为了确保在生活生产和消防状态下，供水系统能够可靠高效地稳定运行，设计一套以可编程逻辑控制器PLC为控制核心，结合变频调速技术、PID调节和压力传感等技术的自动恒压变频供水系统。该供水系统可以根据用水负荷自动快速调节水泵电机转速和增减水泵电机投入运行的台数来实现恒压供水。该系统能够保证当处于生活供水状态时保持低恒压值运行，而当处于消防供水状态时保持高恒压值运行。该系统选用西门子S7-200、风机水泵专用型变频器MicroMaster430、压力传感器等，采用MCGS组态软件对该系统进行测试。经试验表明，该供水系统能够有效地避免人为操作复杂性和不可靠性，达到提升供水品质和节能高效的目的。

恒压变频供水；可编程逻辑控制器PLC；变频调速；水泵；PID控制

0 引言

随着我国社会经济的迅猛发展和人民生活水平的持续提升, 对供水系统的可靠稳定性提出了越来越高的要求。目前市政管网依然承担着为生活生产和消防灭火供水的重要任务。而且我国是一个严重干旱缺水的国家，水资源分布不均，人均淡水量仅为国际平均水平的四分之一。而且我国水资源污染问题不断加剧，地下水超采现象和用水效率低下的问题频繁发生，这些都使我国水资源的供需矛盾更加突出。

恒速供水方式不仅会导致水压不稳以及水锤现象的发生，对供水设备造成巨大损坏，产生强烈噪音，而且会耗费大量的电力资源。传统的恒压供水系统存在着水泵在工频状态下频繁启停、对设备造成严重损坏、冲击电网、自动化程度低、资源利用率低等诸多问题。

恒压变频供水系统正好可以很好地解决以上问题，伴随着电力电子技术的飞速发展和PLC的广泛应用，该供水系统也得到了不断发展和逐步完善。本文设计的系统将以PLC为控制核心，以供水管网的压力传感器变送信号为反馈信号，结合变频调速技术、PID控制与通信等技术实现恒压变频供水系统。此系统可以根据用水负荷的变化自动快速调节水泵电机转速以及增减投入运行的水泵台数来实现恒压供水。而且在平时生产生活时保持低恒压状态，满足生产生活用水高低峰的恒压供水。当发生火灾时，则处于消防状态，管网压力调整为高压状态，满足消防灭火需求。

1 恒压变频供水系统构成

1.1 系统构成

本文设计的供水系统总体构成如图1所示。其主要由以下元器件构成：

(1)1台西门子PLC S7-200，其CPU型号为224。由于PLC只能处理数字量，而水压、电流、电压等均为模拟量，故还应配备匹配此PLC的模拟量输入输出模块EM235与数字量输出模块EM222。PLC工作稳定可靠，抗干扰能力强，编程简单便捷，适用于诸多行业[1]。

图1 系统总体构成图

(2)3台水泵，为防止1台水泵长期独自运行，具备定期“倒泵功能”，每当1台持续运行3小时后便进行切换水泵的操作，防止水泵长期运行而减少其寿命。

(3)1台西门子变频器MicroMaster430，其为风机水泵专用型变频器[2]。因为变频器价格昂贵而且虽然共有3台水泵但是运行时只有1台水泵进行变频调速，其余均为工频运行，故只选用1台就能满足要求。

(4)1台压力传感器，用来监测管网压力，并将其作为反馈信号闭环调节水泵电机转速和投入运行的水泵台数。

(5)热继电器、熔断器与电磁阀等相关辅助元器件若干，其中热继电器(FR)利用电流热效应用作水泵电机的过载保护，而熔断器用于水泵电机的短路保护。

1.2 控制方式

(1)当旋钮开关SA打到“手动”时 ，进入手动运行方式 。在此方式下，可以对任何一台水泵直接工频启动和关停。人工手动操作繁琐复杂，容易出错。此方式主要用在设备初期调试和设备检修巡检时。

(2)当旋钮开关SA打到“自动”时，进入自动运行方式。在此方式下，该供水系统可以自动根据用水量的变化调节水泵转速和水泵的运行台数，使其达到最优配置[3]。而且在此方式下，还能监测设备的运行状态，发生故障时及时报警通知工作人员维修，增强了系统的可靠性。

2 供水系统工作原理

2.1 水池水位

液位指示器用于监测水池水位情况，当液位低于最高水位H时，电磁阀YV1开启，市政管网便向水池注水。当液位低于最低水位L时则停止水泵电机的运行，防止水泵空转烧毁，发生事故。当液位高于最高液位H时，将电磁阀YV1关闭。

2.2 变频调速原理

变频器利用“AC-DC-AC”的方式采用电力电子元器件实现通断，将电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电。其先将工频交流电经过整流滤波转换成直流电，然后再将直流电通过逆变器转换为电压频率均可调的交流电。

三相异步电动机的转速公式为n=60f(1-s)/p，式中,n为电动机转速,s为转差率,f为电源频率,p为极对数。由该公式可知，当极对数不变时，电机转速n与电源频率f成正比，故调节电源频率f便可平滑地调节电机的转速。

而转矩T=kn2与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n3成正比，当转速变为1/2时,转矩则为1/4,而功率P减为1/8[3]。根据相关部门的统计，供水系统70%以上的电能用在了水泵上[4]，可见采用变频器调速可以极大地减少供水系统的电能消耗。而且如果水泵直接启动，启动电流能达到额定电流的5～8倍，对电网造成剧烈冲击，而变频启动可以很好地解决这个问题。

2.3 PID调节

压力传感器将水压变送成电流或者电压信号，再经模拟量输入输出模块EM235将模拟量转换为数字信号与给定值进行比较，得到偏差信号Δx经P(比例)、I(积分)和D(微分)环节得到频率信号，控制变频器变频调节水泵转速。

比例调节P是按Δx的值进行比例放大，偏差越大，调节速度越快，但由于惯性原因容易发生超调现象，造成系统不稳定，故比例调节不能单独使用。积分调节I可以减缓调速过快的问题，减少超调现象的发生。微分调节D根据Δx的变化率(dx/dt)进行调节[5]。比例、积分与微分共同构成PID调节，确保管网水压恒定。系统闭环控制如图2所示。

图2 系统闭环控制框图

2.4 增泵功能

下面以1#泵正在变频运行，其余2台水泵停止运行为例说明增泵功能。当用水量增多，管网压力减小，促使变频器加大频率，1#水泵转速升高，管网压力增大。如果当变频器增大到50 Hz时，管网压力依旧达不到要求，为防止频繁启停水泵对管网和水泵造成损坏，延时5 s再监测管网压力，若仍达不到给定压力则工频启动1#水泵，2#水泵变频从0 Hz启动。如果当2#水泵频率到达50 Hz后，管网压力仍未达到给定值，则延时5 s监测管网压力，若管网压力仍不符合要求则将2#水泵工频启动，将变频器切换到3#水泵，从0 Hz开始变频调速。当3台水泵都处于满负荷运行，管网压力仍低于给定值，说明有可能供水管网出现泄漏问题，应及时修复。由1#水泵变频运行转变为1#水泵工频运行、2#水泵变频运行流程图如图3所示。

图3 增泵功能演示流程图

2.5 减泵功能

下面以3#水泵变频运行，1、2#水泵工频运行为例说明减泵功能。当用水量减少时，变频器减小频率，3#水泵转速减小，管网压力下降。

当变频器频率减小到0 Hz时，管网压力仍大于给定值，延时5 s再次监测管网压力。若管网压力依然大于给定值，则将3#水泵关停，将2#水泵切换至变频调速模式。若用水量进一步减少，而变频器频率已经降至0 Hz时管网压力还大于给定值，则延时5 s。之后再次监测管网压力，若依然大于给定值则将2#水泵关停，1#水泵切换至变频调速状态。3#关停流程图如图4所示。

图4 减泵功能演示流程图

2.6 生活/消防分隔

该供水系统是生活与消防共用供水系统，在生活生产中，管网压力处于低恒压状态，当火灾发生时处于高恒压状态，确保消防有足够的流量和扬程。其占地面积小，效率高，可以减少对设备的损耗，极大地减少投资成本，但是对供电电源的要求更高。该供水系统应采用双电源供电，当一电源发生故障时，另一电源便投入使用，并在末端切换。

为了确保在消防状态下该供水系统能够确实发挥灭火作用，以及防止水流倒流，污染水源，应在消防管网和生活管网之间增加一个电磁阀，将两者隔离开，形成两个独立的供水系统[6]。

3 上位监控系统

本文设计的供水系统中，上位监控系统釆用昆仑通泰触摸屏，主要任务是实时显示现场设备的运行情况，并对故障及时报警，通过PLC控制以实现恒压变频供水系统的稳定可靠运行。而PLC的主要任务是收集现场信号，实现对变频器、电磁阀与继电器等设备的控制，以及通信数据的交换。

通用监控系统(Monitor and Control Generated System，MCGS)是一套基于Windows平台由北京昆仑通态自动化科技有限公司开发，可用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。其功能完善，操作便捷，可视性与可维护性良好，在国内应用十分广泛。

MCGS组态软件所建立的工程主要由以下五方面组成，分别是主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略，如图5所示。

图5 MCGS功能构成图

用户窗口共有4项，即恒压变频供水系统，恒压变频供水系统实时曲线，恒压变频供水系统历史曲线以及退出提示，用户界面窗口如图6示。

图6 用户窗口

监控系统使用上位机的串行接口与PLC的编程口相连接，从而达到控制PLC的目的。本文设计的监控系统是通过RS-232线读取PLC数据，实现了与西门子S7-200的连接，监控系统界面如图7所示。

4 结论

本文设计的恒压变频供水系统以PLC为控制核心，结合变频调速技术、PID调节、压力传感等技术，依据用水负载变化实现生活/消防共用恒压供水系统。该系统自动化程度高，运行安全稳定，节能高效，控制简单便捷，动态响应迅速，压力波动变化小，占地面积小，而且可以有效减少水锤现象，延长设备的使用寿命，减少直接启动大电流对电网的污染，对提高和改善供水品质有重要的实用价值和现实意义。

图7 恒压变频供水监控系统界面

[1] 西门子(中国)有限公司.S7-200可编程控制器系统手册[Z].北京：西门子(中国)有限公司，2008.

[2] 西门子(中国)有限公司. MICROMASTER 430 通用型变频器使用大全[Z]. 北京：西门子(中国)有限公司,2003.

[3] 曹锦梅,王明辉.基于PLC与变频调速的恒压供水/消防控制系统的设计与分析[J].机电工程技术,2007,36(9):48-49,66.

[4] 王军伟.基于PLC控制的变频调速双恒压系统简介[J].山西科技,2010,25(5):97-98.

[5] 王恩义,罗先喜,王甲甲，等.基于PID算法的智能温控系统设计与实现[J].微型机与应用,2014,33(12):18-20,24.

[6] 赵小惠,赵小娥.基于可编程控制器的恒压供水系统设计[J].机电工程技术,2007,36(2):18-20.

Design and study of constant pressure frequency conversion water supply system

Zhang Wei, Zhang Min, Dong Lei

(College of Automation Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520,China)

In order to ensure the stable operation of the water supply system in the life and fire control , the constant pressure frequency conversion water supply system was designed ,which uses PLC(Programmable Logic Controller) as the core controller, combined with VVVF PID adjustment and pressure sensing technology. The water supply system automatically adjusts the speed and quantities of pump motor according to the flow changes ,which ensure the system maintain a low constant pressure state in life and a high constant pressure state in fire control. The water supply system was composed of Siematic S7-200，Siematic MICROMASTER430 and the pressure sensor ,which uses the MCGS (Monitor and Control Generated System) configuration software to test this system. The experimental researches reveal that the water supply system can effectively avoid the complexity and unreliability of the manual operation ,and can achieve the purpose of improving water quality and energy efficiency.

constant pressure water supply; PLC;VVVF ;water pump; PID control

TP29

A

1674-7720(2016)05-0036-04

张炜，张民，董雷. 恒压变频供水系统的设计与研究[J].微型机与应用，2016,35(5)：36-39.

2015-11-04)

张炜(1993-)，通信作者，男，在读硕士研究生，主要研究方向：电气自动化。E-mail：1548320619@qq.com。

张民(1964-)，女，硕士生导师，主要研究方向：电气自动化。

董雷(1993-)，女，在读硕士研究生，主要研究方向：电气自动化。