变频恒压供水控制系统的研究与设计

李 钢，张 敏

（江苏江南水务股份有限公司，江苏 江阴 214400）

供水控制系统的发展直接反映了供水领域的科学技术含量，也在一定程度上体现了人类社会处于不同社会时期的文明发展状况。随着通信技术、计算机技术、控制技术和变频技术的不断发展，如何有效地利用水资源和电能源以确保各行各业能够正常用水已经变得越来越重要[1]。变频恒压供水控制系统可以通过对供水管路压力情况的分析，按照出水瞬间压力的变化实时自动地调控水泵电机的转速与水泵电机投入使用的数量，确保二次供水出水压力能够维持在恒定的设定值，以有效地避免出现管路爆裂现象或者供水压力效果不理想的状况。

1 变频恒压供水系统的特点

变频恒压供水系统具有以下特点。

1）非线性：供水管路中由于存在水锤、管阻等影响因素，另外还受到水泵的一些固有特性的作用，使得水泵电机的转速变化与供水管路压力的变化成非线性关系，所以供水系统呈现非线性的特点。

2）滞后性：供水管路的水压是变频恒压供水系统的控制对象，它跟温度和浓度一样都是表征过程的参量，会使控制系统产生滞后作用[2-4]，另外变频器在调节电机转速时也会产生不同程度的滞后效应。

3）时变性：在变频恒压供水控制系统中，由于水泵电机的运行和停止在每时每刻都会发生变化，并对供水系统的模型参数产生直接影响，所以变频恒压供水系统的控制对象具有时变性。

4）多变性：由于需要面向不同的供水系统，因此要求变频恒压供水系统具有一定的通用性。因为不同的供水系统在管路结构、扬程以及用水量等方面都有所差别，所以多变性也是被控对象模型具有的特点[5]。

2 恒压供水的原理

水泵以调速方式运行，保持输出水压力恒定的控制原理如图1 所示。

图1 恒压控制原理框图

该图中，设定的压力SV是供水管路希望保持的压力值，管路上安装的压力传感器把实际压力PV输送到控制器的检测量模拟输入端。如控制器比较误差e为正，说明实际压力值PV小于设定值SV，则变频器的输出增加，那么水泵转速n的上升会提高PV的值直到PV=SV，此时电机转速稳定下来，保持管路压力PV的值等于SV。当误差e为负时，说明实际压力PV比设定值SV高，则变频器的输出频率f减小，那么水泵转速n的降低会减小PV的值直到PV=SV，此时电机转速稳定下来，保持管路压力PV的值等于SV。

一般供水系统由主用泵及备用泵多台水泵组成，因此需要利用PLC 控制器来实现供水系统多台水泵的投入与退出过程。当管路压力PV小于设定压力SV时,控制器输出增大，而变频器频率的增加会提高电动机的转速。随着水泵的加速，PV增加，控制器的模拟量输出接口输出20 mA 电流信号时，变频器达到最高的50 Hz 输出频率，水泵转速达到额定转速，等待一定时间后，如果PV一直小于SV，则说明一台水泵已经不够用，应使PLC 控制第二台水泵投入运行，一直到开泵台数满足要求为止，PV值基本稳定在SV值附近。当管路压力PV大于设定值SV时，如果控制器的输出已经最小（0 mA），则调速水泵停止运行，等待一定时间后，如果PV仍大于SV，PLC 控制关掉一台水泵，直到关泵台数满足要求为止，PV基本稳定在SV附近。

变频恒压供水控制系统主要由执行机构、信号检测机构及控制机构组成。

1）执行机构：由3 台水泵（两用一备）组成，用于将市政水供入供水管路，系统根据水压变化来改变电机转速，用以保证供水管路的压力恒定。

2）信号检测机构：供水管路处的压力值由水压信号来反映，这是变频恒压供水控制系统中最主要的反馈信号，当PLC 读取该模拟量信号时需要进行A/D 转换。

3）控制机构：供水控制器（PLC 系统）是整个变频恒压供水控制系统的核心，它和变频器等其他电控部分安装在控制柜中。控制器利用传感器直接采集系统中水压的反馈信号，通过分析从通信接口与人机接口传来的数据信息得出控制算法，从而优化执行机构的控制方案，并利用变频调速器与接触器对执行机构实施有效的控制。变频器接收由供水控制器传输的控制信号并对水泵电机的工作频率进行调整，从而实现对水泵的转速控制，因此它是对水泵实施转速控制的单元。

3 恒压供水的控制方式

如图2 所示，单台变频器控制单台水泵的运行方式较为简单方便，它避免了变频转工频时对电网和系统的冲击，很好地确保了设备的使用安全，而且采用这种方式非常便于水泵电机的切换[6-9]。虽说这种方式比单对多的运行方式在造价上要更加昂贵，但从长远的角度来看这种方式反而比较实用。因为在单对多的运行方式下，设备的使用寿命不如在单对单的运行方式下长，而且频繁的变频与工频的切换对系统影响也比较大[10-11]。另外，即使有其中任何一台变频器因为故障的原因暂时不能使用，也可以迅速将这种单对单的运行方式设计成单对多的运行方式，因此在设计上该系统最终采用了单对单的运行方式。

图2 供水系统主电路图

4 可编程逻辑控制器的应用

当对控制电路进行设计时，不得不重视弱电与强电之间的隔离问题。在变频恒压供水控制系统中，水泵电机、变频器以及接触器等硬件设备的动作全部是通过PLC 的程序逻辑执行的。为了保护PLC设备并且完成系统中弱电与强电的隔离，PLC 输出端口利用中间继电器来对电机或者阀门的动作进行有效的控制，不但能够使系统得到保护并延长了使用寿命，而且还提升了系统运行的可靠性[12-15]。

在变频恒压供水控制系统中，PLC 根据出水压力变送器反馈的压力值，利用变频器的输出频率来调整水泵电机的转速，从而改变水泵电机出力，以使供水管路的压力恒定。作为整个控制系统的核心，PLC 还负责与变频器、触摸屏、数据采集系统进行通信。如图3 所示，该系统采用西门子S7-200 系列，并选择CPU226 作为PLC 的主机。

图3 供水系统PLC接线图

根据接收到的有效自动控制系统启动信号，PLC利用供水管路实际水压与设定水压之间的误差来控制变频器的输出频率。利用STEP 7-MicroWIN Project软件可以完成控制算法的编程：首先把量化因子放进PLC的保持继电器内，然后用A/D 转换模块把输入量采集到PLC 的数据寄存器中，经过限幅量化处理后，调整PID 模块的参数，求得输出量，再乘以输出量比例因子即可得到实际输出量，再由D/A 模块输出进行控制。水泵运行的子程序流程如图4所示，首先启动1#变频器拖动1#水泵，控制1#水泵的转速，直至输出压力达到设定值，这段时间水泵电机处于调速运行状态。当供水管路的水压增大或者降低时，利用PLC与压力闭环来调节水泵电机的转速使水压重新达到稳定值。

图4 水泵运行流程图

5 人机界面的设计

为了能够自由形象地进行过程控制，该系统选用了10.2 英寸的昆仑通态TPC1061TI 触摸屏。这款国产触摸屏以Cortex-A8 CPU 为核心，TFT 触摸液晶显示屏的分辨率为1 024×600，同时还预装了嵌入式组态软件，该软件拥有强大的数据处理以及图像显示等功能，能够较好地应用于二次供水等工况现场。所以在设计触摸屏的人机界面时，应尽量遵循简明、方便以及严谨的原则[16]。为了让触摸屏具有较好的可视性与操作性，同时减少不必要的误操作，设计界面时依据了Windows 操作系统风格。通过触摸屏内置2 个独立的通信串行端口，利用驱动程序就能够实现与PLC 的通信，不需要编写复杂而又冗长的通信程序。PLC 既能够按照触摸屏送出的控制指令对供水系统完成相应操作，也能够把供水系统的运行状态传送给触摸屏来完成对工控设备的监控。

MCGS是昆仑通态开发的人机界面（Human Machine Interface，HMI）工程开发软件，用户利用MCGS 可以设计出适合于不同工程项目的功能化图形界面。根据不同的需要，工程人员可以在不同的操作平台上运行由MCGS 建立的应用程序。如图5、图6 所示，通过主界面上设置的“运行状态”、“运行设置”、“事件记录”、“压力曲线”等操作按钮，可以方便直观地对系统压力进行设置，并对实时压力、历史压力曲线、报警记录等进行观测。

图5 运行状态图

图6 运行设置图

6 智慧化数据系统的设计

WIM Cloud（Water Information Modeling Cloud）云服务平台不但提供了通信功能、监视功能和控制功能，还具有数据记录的功能，它可以与多种数据库相连接，在该系统的设计中，主要使用该平台默认的Microsoft Access 数据库[17-19]。数据库主要记录了数字量值、模拟量值、报警记录和运行记录等，其中数字量值和模拟量值可以在平台中选择是否记录到数据库中，避免一些不需要记录的数据占用系统内存。记录的数据可以以报表的形式查看，也可以作出相应的趋势曲线图进行查看，数据可以方便地导入Excel 中，以便随时调用。WIM Cloud 云服务平台还提供了数据远程查看的功能，只需要工程编号的密码，就可以通过Internet 在远程终端查看并导出数据，实现了数据的共享。

通过与云处理、大数据、物联网等新技术相结合，WIM Cloud 云服务平台的应用使得泵房内的供水设施实现了智能化管控，工作人员在中控室内就能够对现场设备进行监控与操作，大大减轻了工作量[20-22]及水务公司的巡检压力，降低了二次供水泵房的运行维护成本。如图7 所示，对于二次供水控制系统，管理人员通过中控室的云服务平台就可以及时而又准确地获知供水系统的运行状况。遇到突发状况时，平台自动触发预警、报警机制，提升了水务公司的应急抢修速度，提高了居民的供水安全可靠性，实现了“无人值班”（少人值守）的要求。

图7 二次供水云服务平台效果图

7 结束语

相比传统的二次供水系统而言，变频恒压供水控制系统不但提高了二次供水质量、降低了设备投资、减少了泵房占地面积，还有效地提高了小区供水系统的可靠性、灵活性以及稳定性，并且达到了节能降耗的目的，保障了居民的安全供水。变频恒压控制系统不仅可以应用于高层小区二次供水，而且能够广泛地运用于各个类型的水电站、供热循环用水系统或其他工业及民用领域。总之，供水模式的发展趋势一定是智能、高效、节能、安全的，相信随着云计算、大数据、物联网等科学技术的发展，供水技术的智能化也将越来越完善。