基于PLC的变频恒压供水系统在某水厂的应用

聂胜军，郭来功，朱明智，马银鑫

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

随着国民经济的飞速发展，围绕煤化工方面的工业产品需求日益增长，而各种煤化工产品的生产过程都伴随着水的大量消耗.这些年来，水务公司都面临着扩充产能，改造老旧供水系统，以填补工厂的用水缺口.只要稍微查看相关资料，不难发现，由于变频器以及PLC设备的技术趋于成熟，选择了加装变频器，改造老式PLC控制柜几乎成为供水系统改造的首选.问题在于供水的水量是动态变化的，而出水管道的压力需恒定.基于PLC的变频恒压控制方式就可以很好地解决这个问题，这也是当今主流供水控制系统选择的主要方式[1].传统的供水方案大多是恒速泵供水，与之相比，此方案具有自动化程度高、节能高效、延长水泵电机使用寿命等优点.本文以淮北某水厂的送水泵房改造设计方案为例，安排了基于PLC的变频器控制多台水泵，可以远程自动控制，切换运行方式，以实现恒压供水.

1 变频恒压供水系统

基于PLC的变频恒压供水系统主要由吸水井、水泵机组、变频器、PLC控制器、压力传感器及供水管网组成.前面由反应沉淀池加药反应沉淀，经滤池过滤后的水进入清水池，再由吸水井接入送水管道.一般采用两台变频泵和两台工频泵进行送水工作，工作策略是“三用一备”.查看4台送水泵的电机铭牌，可以得到功率都是220 kW，扬程为55 m，转速为1 480 r/min，流量为1 120 m3/h.

变频恒压供水系统的设计结构如图1所示.出水管道压力值不停地反馈到PLC控制器，PLC控制器再将出水压力值与设定值进行比较得出偏差值，再通过PLC使用PID控制算法对变频器的输出频率调节，从而控制水泵电机的转速，实现实时调节供水管网水压，保持出水压力恒压[2].

图1 变频恒压供水系统

2 供水系统硬件设计

2.1 PLC控制器硬件设计

PLC选用的是西门子S7-1500系列产品.DI、DO模块输入、输出信号为DC24V信号，强电与弱电采取中间继电器进行隔离，中间继电器带指示灯和强制按钮.AI、AO模块负责信号采集和输出，设计的电流信号为4～20 mA.PLC预留RS485接口，信号线采用端子排中转的方式接入PLC柜，不直接接入PLC模块端子.1#泵、2#泵都需要工频、变频切换运行，3#、4#泵只需要工频运行，需要PLC的6个输出信号控制，而变频器的极值输出频率的检测信号需要一个输入点.当输出管网的压力处于上下限位置，传感器分别输出开关信号进PLC两个输入点，与变频器的极值输出频率的检测信号一起，再经过PLC控制水泵的变频与工频转换，同时关闭工频泵的运行[3].此系统设计的输入/输出点数量共有20个，选择西门子的PLC是因为其有工作稳定、在潮湿环境可靠性高等优点.详细的I/O分布情况如表1所列.

表1 PLC控制器I/O分配表

2.2 变频器硬件设计

由于水泵电机的功率为220 kW，所以选用变频器的输出功率为250 kW，保证设备稳定高效的运行.型号为英威腾(invt)GD270-250-4，额定电压380 V，可输出460 A电流，空间矢量控制模式，变频器频率设定范围0～50 Hz，具有软启动、过流/过压/过载、欠压、缺相等保护功能.基本控制回路接线图如图2所示，AI1电压电流可选0～10 V，0～20 mA，AI2的是-10～+10 V电压，AI1电压或电流输入由跳线J11设定.AO0电流电压的可选范围与AI1相同，AO0和AO1电流或电压输出由跳线J7和J6设定.RO1表示继电器输出，RO1A为常开触点，RO1B为常闭触点，RO1C为公共端.GND表示+10.5 V的参考零电位，PE为接地端子，PW表示由外部向内部提供输入开关量工作电源，COM为公共端.S1～S4是开关量输入.24 V表示变频器提供用户电源，最大输出电流200 mA.HDIA除去开关量输入功能外，还可作为高频脉冲输入通道.

图2 基本控制回路接线

2.3 压力传感器设计

翻阅泵站值班记录，供水管道的水压基本没超过0.5 MPa，所以本设计使用的水压传感器量程为0～1 MPa，检测精度范围为±0.01 MPa.将0～1 MPa的压力范围与0～10 V的电信号对应，方便信号处理.

2.4 系统主回路接线图

根据系统设计方案，结合前面的各种硬件选型，系统主回路的接线方式如图3所示.两台水泵(1#，2#)分别通过两个接触器与变频器和主电路相连接，有变频、工频两种运行状态[4].另外两台水泵直接通过接触器接入主电路，只进行工频运转.QF1表示空气开关，控制主电路回路.QF2、QF3是接在变频器的线路上，作用是分别控制对应的变频器，QF4、QF5直接从主回路下来，作用是分别控制两台工频水泵.热继电器FR是具有延时动作的限流保护器件，4台水泵电机分别对应FR1～FR4，起到过载保护作用.

图3 系统主回路接线图

3 供水系统的软件设计

系统对供水管道处反馈的水压等信号分析处理，调整投入的水泵及其工作状态，同时对故障信号进行研判处理[5].系统软件设计流程如图4所示,整个软件系统的具体运行过程如下：

图4 系统软件设计流程图

(1)初始化程序.系统默认状态下，工频水泵处于投入一台，另外一台备用状态；

(2)电路故障和急停程序.开始运行时检查电路是否正常，如果出现问题，立即紧急停止；

(3)远程/手动切换程序.在初始化程序中预先设置，PLC开始执行时接收中控室远程还是手动控制指令；

(1)部分高校创新创业实验班课程的体系安排和普通本科高校课程差别不大，尤其是在通识课程的设计上，难以做到有针对性地培养人才。

(4)故障处理程序.当变频器出现故障时，系统自动转换进入工频运行模式，两台变频水泵直接工频运转.当水泵电机出现故障时，空气开关和热继电器对电机开始保护.如果一台水泵电机出现故障，则另外一台备用水泵立即投入工作，保障系统最低供水需求，并且发出报警信号；

(5)增加/减少变频泵程序.当出水管道压力处于欠压时，增加启动变频水泵[7].如果变频水泵都投入工作时，水压还是未能达到供水的最小压力，则可调节切断变频器控制，直接软启动工频运转，待达到出水压力时，再切换为变频控制.当出水压力处于超压时，则可以减少变频泵的投入.如果压力还是超过供水的最大压力，可以将工频水泵移除，待水压正常后，再投入运转.

4 系统设计理论

通过在这个水厂一段时间的学习调查，可以得出每日平均用水需求曲线.由于工业生产的特殊性，用水的高峰时段集中在晚上23:00之后，一直持续到早上8:00.相反在8:00到18:00这段时间的用水量较少.可以根据用水情况，在不同的供水时段改变供水压力、流量，从而有效减少资源的浪费.在系统中，采用PID控制算法对供水管道的出水压力进行调节，可以将出水管道口的压力变化系统看作是一阶惯性环节,具体的调节原理如图5所示，供水系统运行过程中，压力传感器将检测到的供水管道信号反馈给变频器，变频器初始设定的值和反馈值之间产生的偏差作为PID调节的输入信号，处理后改变变频器的输出频率，实现恒压控水的目的[8].

图5 PID调节原理图

从图5可以分析出，设定压力与实际压力之间的偏差为主要控制对象，其关系可表示为(1)：

e(t)=y(t)-r(t).

(1)

PID控制器主要作用是使e(t)的值趋于零，这样可以最大程度的消除误差[6].但实际中误差难以避免，只能不断提高控制算法的精度，使系统稳定运行.PID调节的过程大致有以下3个状态：①供水稳定时，出水管道压力不变，压力反馈值y(t)与设定值r(t)偏差为0，促使PID控制器的输出增量为零，变频器的输出频率不发生改变，系统在一个稳定状态下运行;②供水需求上升时，出水管道压力变小，压力反馈值y(t)下降，与设定值r(t)的偏差小于0，这时候PID控制器的输出增量为正，输出增量传递到变频器，变频器开始提高输出的频率，从而控制水泵电机的转速加快，增加供水流量，提高管道压力，系统处于一个新的平衡;③供水需求下降时，出水管道压力变大，压力反馈值y(t)上升，与设定值r(t)的偏差大于0，此时PID控制器的输出增量为负，输出增量传递到变频器，变频器开始降低输出的频率，从而控制水泵电机的转速减慢，减少供水流量，管道压力得到有效降低，系统又达到一个新的平衡状态.

5 结语

本系统基于PLC的变频恒压供水系统，融合了PID调节算法，对水务公司供水系统进行了一些简单设计.针对水务公司的实际情况，改造后的供水系统具有使用方便、性能可靠、系统稳定、无人化程度高等优点.

(2)由于变频器的使用，大大减少了水泵的启停次数，同时启停也可做到软启动和软停止，既保护了水泵的机械性能、减少了疲劳损坏，也避免了快启快停产生的水锤效应.

(3)采用PID调节器，使加减泵的过程更加平稳，扰动更小.系统是闭环控制系统，初始的设定压力可以根据用水实际调节，与出水管网产生的偏差波动范围更小，有利于控制系统的稳定运行.