基于變頻器內置PID模塊的恒壓供水系統

楊柏松 ， 熊建斌 ，2， 李長庚

（1．廣東石油化工學院 計算機與電子信息學院，廣東 茂名 525000；2．廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室 廣東 茂名 525000）

我國在生活、工業和農業生產供水和水循環方面的技術還比較落后，自動化程度低，隨著國民經濟的持續發展和生活小區的規模不斷增大，傳統的高樓層供水系統已經不再適應，對于水、電資源日益重要和緊缺的當今，迫切需要一種新技術解決供水質量和節能問題[1]。隨著電力、電子、自動化控制等技術的不斷發展和成熟，以及PLC、變頻器、傳感器等器件功能的日趨強大，一種新型的供水系統——變頻調速恒壓供水系統[2-8]，逐漸取替了傳統的“非恒壓供水”系統。基于PLC和變頻器構建的變頻調速自動化控制恒壓供水系統符合現代工農業和生活用水的要求，既安全可靠、維護簡單、集中管理和監控[3]，又減少了大量的能耗、減少投資、自動化程度高、抗干擾能力強[4]、未來可發掘的潛力大。

目前，隨著變頻調速技術的不斷發展和成熟，國內外的變頻恒壓供水系統也逐漸發展起來，成為了各行業供水的主要方式。我國的變頻調速技術還不夠成熟，遠比不上國外的發展水平，因此變頻調速供水系統也存在一定的局限性。目前，我國有大約兩百多家公司從事變頻調速恒壓供水的研究，相關技術正在不斷成熟，但總的來說，我國與國外的技術差距還是較大的，還比較依賴國外的變頻調速技術。目前，我國有大約兩百多家公司從事變頻調速恒壓供水的研究，相關技術正在不斷成熟，但總的來說，我國與國外的技術差距還是較大的，還比較依賴國外的變頻調速技術。目前，國內外的變頻調速恒壓供水系統趨于成熟，廣泛應用于工農業和生活小區供水，但對于一種能夠適應各種不同場合，可簡易實現通用，通訊無障礙且兼顧系統電磁兼容性（EMC）的變頻調速恒壓供水閉環控制系統技術，無論是國內外都還處于發展階段，成為研究開發的重點。

為了解決傳統供水系統[5-6]高樓層供水都要以超出實際用水高度的壓力抽取用水，浪費了水泵的能量和用電量，不能根據實時的居民用水多少自動調節系統相關的運行參數和水泵的壓力輸出。國外的供水系統采用一臺變頻器帶動一個泵機組的模式，雖然這種模式運行穩定、簡單方便、安全可靠，但是需要的變頻器多，成本高，整體運行的協調性差。如果是通過電磁接觸器工作的系統，可改善一臺變頻器對應一臺泵機組模式的缺點，一臺變頻器最多可同時連接控制7臺泵機組。這種電磁接觸器工作的供水系統優點是簡化了電路、維護簡易、設備的成本可大大降低，但是供水系統的穩定性不高、自動化程度低、動態性能差等。為了保證供水系統中水管壓力的恒定，必須引入壓力傳感器將管道水壓反饋給PLC構成一個PID閉環調節系統[2-3，7-8]，跟隨用水量的變化快速實時調節水壓恒定。但是利用PLC外加PID擴展功能模塊[2-3，7-8]存在PID算法編程難度大、調試困難等問題。本文提出一種基于變頻器內置PID模塊的恒壓供水系統，利用PLC一拖三控制泵電機組，利用變頻器內置PID模塊，實現管道水壓反饋的PID閉環調節系統，編程簡單、運行穩定，實現無級調速，快速精確地調節水泵的轉速，從而改變水壓的大小，達到恒壓供水的目的。

1 變頻調速恒壓供水原理

圖1 恒壓供水系統控制原理示意圖Fig.1 The principle diagram of control constant pressure water supplys

PLC通過現場總線連接變頻器，泵電機組則由變頻器連接控制。其中西門子MM440變頻器控制泵電機組以所需的的頻率運轉，將儲水池的生活用水加壓送到小區各樓層上供應。利用西門子MM440變頻器自帶PID功能模塊，使壓力傳感器檢測值與壓力設定值進行比較運算。壓力傳感器，將供水管網的水壓實時轉換成4～20 mA的標準電信號送至變頻器，經過變頻器自帶的PID參數調節及內部處理運算，控制泵電機的高低速運轉。將變頻器通過現場總線與PLC實時通信來控制泵電機組的加泵和減泵：當變頻器頻率加到設定最大值時，PLC控制泵電機組加泵；當變頻器頻率降到設定最小值時，PLC控制泵電機組減泵。即當用水量持續增大時，供水管網的水壓降低，當壓力低于PID功能模塊壓力設定值時，PID運算調節變頻器的輸出頻率使之上升，使泵電機轉速上升，加大抽水壓力，如果變頻器頻率升至最大的50 Hz頻率，那么PLC啟動第二臺泵電機以變頻運轉，同時保持第一臺泵電機工頻運轉。如果第二臺泵電機還是達不到供水水壓，則啟動第三臺泵電機以變頻運轉，同時保持第二臺泵電機工頻運轉，以此類推。相反，用水量降低時，供水管網的水壓升高，當壓力高于PID功能模塊壓力設定值時，PID運算調節變頻器的輸出頻率使之下降，使泵電機轉速下降，減小抽水壓力，使泵電機降速，如果變頻器頻率降至最小的20 Hz頻率，那么PLC停止第一臺泵電機，第二臺以工頻運轉，第三臺以變頻運轉。如果還是降不到供水水壓，則停止第二臺泵電機，第三臺泵電機以工頻運轉。如果水壓繼續升高，則第三臺泵電機以變頻運轉。即停止泵電機時應做到先運轉先停止。從而使供水管網的壓力保持恒定，達到小區用水長期穩定的目的。

除此之外，本系統還采用了泵電機循環運行的方式，因此PLC除了控制系統加減泵電機外，還要控制泵電機組定時切換泵電機：即當一臺泵電機連續工作超過3 h，則切換到下一臺泵電機運行，保證泵電機不會因連續工作發熱而損壞，即系統要控制M1、M2和M3輪流工作。

2 變頻調速恒壓供水系統

1）變頻調速恒壓供水系統主要由三大單元組成：①、控制單元：由PLC、變頻器和電氣控制設備等構成，達到變頻調速作用。②、執行單元：由三臺受控于控制單元的泵電機構成，將水池內的水加壓送至小區管網，使管網壓力保持恒定，達到恒壓供水的作用。③、信號檢測機構：由壓力傳感器、液位傳感器、報警器等構成，達到信號檢測壓力反饋等作用。系統的三大單元組成一個整體，協調工作，實現變頻調速恒壓供水。

2）變頻調速恒壓供水系統主電路的設計如圖2所示，3臺抽水泵電機分別為：M1、M2、M3； 接觸器 KM1、KM3、KM5分別控制 M1、M2、M3 的工頻運行； 接觸器 KM2、KM4、KM6分別控制 M1、M2、M3 的變頻運行，FR1、FR2、FR3 分別為3臺泵電機過載保護用的熱繼電器；KM7為變頻器和3臺泵電機主電路的隔離開關；QA0為主電源電路開關；MM440為自帶PID功能模塊的西門子變頻器。

圖2 變頻調速恒壓供水系統主電路圖Fig.2 The main circuit of frequency control constant pressure water supply system diagram

3）系統手動控制電路的設計。如圖中SF1為手動控制開關，SF1閉合時啟動手動控制狀態。手動控制時可用SF2~SF4控制3臺泵電機的啟停運轉。SBQ為急停開關。系統故障檢修時可啟動手動控制系統，可根據用戶用水量大小選擇啟動幾臺泵電機運轉供水。

本系統KM7為變頻器和3臺水泵機主電路的隔離開關，用來滿足自動控制與手動控制，KM7閉合，變頻器和3臺泵電機主電路聯通實現PLC與變頻器的自動控制，當KM7斷開時，用于故障檢修時的手動控制泵電機組的啟停運轉。

3 系統自動控制電路的設計

系統自動控制電路設計如圖3、4。在本系統中PLC主要控制泵電機組加減泵及泵電機切換，以及根據外部信號進行相應輔助控制和安全控制等，考慮到水泵電機空載運轉時會影響電機壽命以及防止水池水位過高，需要對水池水位作必要的檢測和控制。

圖3 PLC外部接線圖Fig.3 PLC external wiring diagram

由圖3、4可以看到PLC采用7個輸入10個輸出端子，I0.0作為消防系統的自動控制開關；I0.1、I0.2分別為水池水位上、下限控制信號，以此來確保泵電機不會空載運行，保護電機。I0.3、I0.4分別為變頻器報警信號輸入、消鈴按鈕；I0.5為試燈按鈕。常開開關SFO接I0.6作為整個系統的自動控制開關PLC輸出端Q0.0~Q0.5分別控制泵電機的工頻變頻運轉。Q0.6~Q1.0為報警指示系統，其中P7、P8為水池水位上下限報警指示燈，PB為報警電鈴。KM7為變頻器和3臺泵電機主電路的隔離開關。

圖4 變頻恒壓供水系統自動控制電路圖Fig.4 Automatic control circuit of constant pressure water supply system diagram

4 實現與調試

調試說明以及調試圖

1）增泵邏輯程序

如圖5，網絡4則為變頻器頻率上限時增泵濾波程序，當頻率值達到上限時，則啟動計時器開始計時，如果5秒后頻率值依然超出上限值，即符合增泵條件，則運行網絡5，即當工頻運轉的泵電機未達到上限值時，則使工頻泵運行數加一，此即增泵程序。

2）減泵邏輯程序

如圖6，圖中網絡6則為變頻器頻率下限時減泵濾波程序，當頻率值達到下限時，則啟動計時器開始計時，如果10 s后頻率值依然低于下限值，即符合減泵條件，則運行網絡7，即當工頻運轉的泵電機未達到下限值時，則使工頻泵運行數減一，此即減泵程序。

圖5 增泵邏輯程序Fig.5 Add pump logic program

圖6 減泵邏輯程序Fig.6 Reduction of pump logic program

3）泵電機組變頻運行程序

如圖7，為3臺泵電機變頻運行網絡，變量存儲器VB300內存儲了變頻運行泵號，不僅保證了每次有且只有一臺泵電機變頻運轉，而且保證了當一臺泵電機連續工作超過3 h，則切換到下一臺泵電機運行，保證泵電機不會因連續工作發熱而損壞。同時采用自鎖來保證泵電機平穩運行，采用互鎖來保證每臺泵電機變頻與工頻運轉不會同時進行，即便是外圍硬件互鎖故障，也不會損壞泵電機，是系統更加安全可靠。

4）泵電機組工頻運行程序

如圖8，為3臺泵電機工頻運行網絡，變量存儲器VB301內存儲了工頻運行泵號，與變頻運轉同時運行，與變頻運轉相同的是都采用自鎖和互鎖來保證泵電機平穩運行，而且保證了當一臺泵電機連續工作超過 3 h，則切換到下一臺泵電機運行，保證泵電機不會因連續工作發熱而損壞。不同的是，不像變頻時只有一臺泵電機變頻運轉，工頻運轉可以是一臺或幾臺同時運轉，來保障供水水壓。

圖7 泵電機組變頻運行程序Fig.7 Water pump frequency conversion to run the program

圖8 泵電機組工頻運行程序Fig.8 Pump unit electric constant frequency operation procedures

5 結束語

針對傳統供水系統的水泵消耗了大量的電能，造成供水效率低下、耗能大、水壓和部分設備不穩定、可靠性差、設備造價高以及系統長時間全負荷運行影響泵電機使用壽命等問題，本文采用PLC與變頻器及其內置PID模塊的變頻調速恒壓供水系統，達到了能耗控，能實現高質量供水。但是對于高精度要求的供水場合和大容量、高控制要求的系統，國內的變頻調速裝置還存在一些問題無法滿足，需要進一步研究。

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