变频恒压供水控制系统研究

高志伟

（河南工业技师学院，河南郑州450007）

变频恒压供水控制系统研究

高志伟

（河南工业技师学院，河南郑州450007）

从实际应用出发，列举了各种供水方式的特点，进而分析了恒压供水的控制思路，特别是PID参数的计算过程，最后结合具体控制要求，以实例的形式给出了变频恒压供水控制系统主电路图、PLC接线图、变频器接线图、PID参数设置等。整个系统选用三菱PLC（FX2N-48MR）为控制核心，采集水位传感器、压力传感器信号作为输入，设置三菱变频器（FR-A700）相关参数，PLC的输出控制水泵电机运行，同时兼顾备用水泵、工频/变频、故障报警、上位机通信等功能，以达到安全、节能、实用之目的。

PLC；变频器；恒压供水；PID控制

随着社会的进步和城市的发展，高层建筑越来越多，水、暖、电的稳定、实时控制可方便人们的生活。特别是城市供水问题，地下管网复杂、年久失修，导致事件多发。如何避免类似问题出现，实现自动控制，以达到安全、稳定、节能的目的值得思考。

1 供水方式比较

1.1 市政直接供水

通过自来水公司直接把管道供给用户，中间不添加任何设备。其特点为：①成本低；②一般用于多层建筑，供水压力有限，而且在用水高峰期水压不稳定，停水、水压小等问题依然存在。

1.2 天台供水

通过水泵把水送至楼顶天台，再通过用户管道送至各用户。其特点为：①一般用于小高层建筑，但建筑物所承担的负荷过大。②因水塔露天，如果长期不清洗容易滋生各类细菌，不利于健康。③由于其采用自上而下供水，压力相对比较稳定。④楼层较高，耗电多。

1.3 恒压供水

通过市政管道将水存储，利用水位传感器检测实时水位。通过多台水泵将水送至各用户管道，利用压力传感器实时检测水压，以此来控制电机的转速。其特点为：①压力稳定。无论在用水高峰期还是低谷期，水管内的压力波动小。②污染小，楼的承重负荷小。③由于其采用变频器、PID控制，水泵轮流工作，所以其节能效果好。

2 变频恒压供水控制过程

2.1 控制思路

变频恒压供水控制系统设计框图如图1所示。

根据用水情况设置压力值，通过压力传感器检测当前管道内的水压，并把当前的水压值传递给PLC；PLC输出给变频器，按照设定的参数实现自动控制，从而控制水泵电机，再次改变压力值。

图1 变频恒压供水控制系统设计框图

基本控制逻辑为：当用水量大时，水压减小，PLC得到水压在减小的信号，提高水泵的转速来提升水压；当用水量减小时，PLC会降低水泵的转速来减小水压。通过采样反馈值，比较设定值，改变输出值，基本保持水压恒定。

2.2 控制系统组成

可编程控制器起控制核心作用，接收传感器的输入信号，输出变频器的控制信号。

变频器起调速作用，控制多台水泵电机的转速，具有节能功能。

传感器可把测量值（比如速度、压力、温度等）变为电信号（电压为0～5V，电流为4～20 mA）。

数模转换技术：对于A/D转换，传感器检测到的模拟量（电压）要通过模数转换，送至PLC中进行处理；对于D/A转换，PLC处理后的数据要通过D/A转换，转变成模拟量（电压），控制变频器输出频率，从而调节水泵的转速。

2.3PID参数计算

在实际计算PID参数时，需要列出方程，计算压力与电压（电流）的比例关系，然后计算电压（电流）与频率的关系，最后把频率的值赋给各PID参数。比如，某供水系统设定供水压力为3 MPa，上限为3.5 MPa，下限为2.5 MPa，压力传感器的压力范围0～5 MPa，反馈电流是4～20 mA。要求计算设定值Pr.133、Pr.131上限值、Pr.132下限值。可依次列出以下方程。

压力与电流的关系式：

电流与频率的关系式：

分别代入x1=2.5、x2=3、x3=3.5，则y1=12、y2=13.6、y3=15.2，z1=50、z2=60、z3=70，即Pr.132=50 Hz、Pr.133=60 Hz、Pr.131= 70 Hz。

3 恒压供水系统应用实例

3.1 变频功能的实现

变频恒压供水控制系统主电路图、PLC接线图和变频器接线图如图2所示。

在实现工频运行的基础上，要实现以下几个变频功能：①闭合转换开关，选择变频功能。此时，泵选择开关不起作用，按下变频启动按钮，系统自动判断，如果1#泵无故障且变频器无故障，则1#泵启动；如果1#泵故障，但变频器无故障，则2#泵启动；如果变频器故障，则变频器不启动。②变频器运行后，泵处于PID控制状态，系统目标值设定为60%，依据反馈值状态（设备上设有电压源、电流源），自动调整变频器输出频率，最高45 Hz，最低30 Hz。③泵运行过程中，如果处于运行状态的泵出现故障，则自动切换到无故障的泵上运行；如果都有故障，则系统停止运行。④按下急停按钮，运行的泵停止，按下SB2工频启动，泵不运行，在任何情况下，2台泵不允许同时运行，不允许与工频同时运行。

3.2 变频器PID主要参数设置

Pr.1=45 Hz、Pr.2=30 Hz、Pr.3=50 Hz、Pr.7=3 s、Pr.8=5 s、Pr.73=1、Pr.78=1、Pr.79=2、Pr.80～Pr.83依据水泵电动机的实际参数设定，Pr.128=20、Pr.129=100%、Pr.130=10 s、Pr.131=95%、Pr.132=60%、Pr.133=60%、Pr.134=2 s。

4 总结与思考

恒压供水系统具有压力稳定、节能等特点。本系统在实际应用时，可根据楼层情况增加或减少水泵数量，同时采用备用泵，保证系统可靠运行。为了增加用户的可操作性，控制界面采用触摸屏的形式显示当前时间、温度、压力，采用组态软件实时动画显示水位和压力情况。也可把水、电的报警信号直接通信至物业，第一时间将故障解除。

［1］龙章眷.PLC与变频器在自动恒压供水设备中的应用［J］.科技信息，2007（03）.

［2］张伟林，吴清荣.西门子PLC变频器与触摸屏综合应用实训［M］.北京：中国电力出版社，2014.

图2 变频恒压供水控制系统主电路图、PLC接线图和变频器接线图

〔编辑：张思楠〕

TM921.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.090

2095－6835（2017）14－0090－02

高志伟（1985—），男，河南嵩县人，河南工业技师学院讲师。