恒壓變頻供水系統的設計與研究

張 煒， 張 民， 董 雷

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

恒壓變頻供水系統的設計與研究

張 煒， 張 民， 董 雷

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

為了確保在生活生產和消防狀態下，供水系統能夠可靠高效地穩定運行，設計一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結合變頻調速技術、PID調節和壓力傳感等技術的自動恒壓變頻供水系統。該供水系統可以根據用水負荷自動快速調節水泵電機轉速和增減水泵電機投入運行的臺數來實現恒壓供水。該系統能夠保證當處于生活供水狀態時保持低恒壓值運行，而當處于消防供水狀態時保持高恒壓值運行。該系統選用西門子S7-200、風機水泵專用型變頻器MicroMaster430、壓力傳感器等，采用MCGS組態軟件對該系統進行測試。經試驗表明，該供水系統能夠有效地避免人為操作復雜性和不可靠性，達到提升供水品質和節能高效的目的。

恒壓變頻供水；可編程邏輯控制器PLC；變頻調速；水泵；PID控制

0 引言

隨著我國社會經濟的迅猛發展和人民生活水平的持續提升, 對供水系統的可靠穩定性提出了越來越高的要求。目前市政管網依然承擔著為生活生產和消防滅火供水的重要任務。而且我國是一個嚴重干旱缺水的國家，水資源分布不均，人均淡水量僅為國際平均水平的四分之一。而且我國水資源污染問題不斷加劇，地下水超采現象和用水效率低下的問題頻繁發生，這些都使我國水資源的供需矛盾更加突出。

恒速供水方式不僅會導致水壓不穩以及水錘現象的發生，對供水設備造成巨大損壞，產生強烈噪音，而且會耗費大量的電力資源。傳統的恒壓供水系統存在著水泵在工頻狀態下頻繁啟停、對設備造成嚴重損壞、沖擊電網、自動化程度低、資源利用率低等諸多問題。

恒壓變頻供水系統正好可以很好地解決以上問題，伴隨著電力電子技術的飛速發展和PLC的廣泛應用，該供水系統也得到了不斷發展和逐步完善。本文設計的系統將以PLC為控制核心，以供水管網的壓力傳感器變送信號為反饋信號，結合變頻調速技術、PID控制與通信等技術實現恒壓變頻供水系統。此系統可以根據用水負荷的變化自動快速調節水泵電機轉速以及增減投入運行的水泵臺數來實現恒壓供水。而且在平時生產生活時保持低恒壓狀態，滿足生產生活用水高低峰的恒壓供水。當發生火災時，則處于消防狀態，管網壓力調整為高壓狀態，滿足消防滅火需求。

1 恒壓變頻供水系統構成

1.1 系統構成

本文設計的供水系統總體構成如圖1所示。其主要由以下元器件構成：

(1)1臺西門子PLC S7-200，其CPU型號為224。由于PLC只能處理數字量，而水壓、電流、電壓等均為模擬量，故還應配備匹配此PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235與數字量輸出模塊EM222。PLC工作穩定可靠，抗干擾能力強，編程簡單便捷，適用于諸多行業[1]。

圖1 系統總體構成圖

(2)3臺水泵，為防止1臺水泵長期獨自運行，具備定期“倒泵功能”，每當1臺持續運行3小時后便進行切換水泵的操作，防止水泵長期運行而減少其壽命。

(3)1臺西門子變頻器MicroMaster430，其為風機水泵專用型變頻器[2]。因為變頻器價格昂貴而且雖然共有3臺水泵但是運行時只有1臺水泵進行變頻調速，其余均為工頻運行，故只選用1臺就能滿足要求。

(4)1臺壓力傳感器，用來監測管網壓力，并將其作為反饋信號閉環調節水泵電機轉速和投入運行的水泵臺數。

(5)熱繼電器、熔斷器與電磁閥等相關輔助元器件若干，其中熱繼電器(FR)利用電流熱效應用作水泵電機的過載保護，而熔斷器用于水泵電機的短路保護。

1.2 控制方式

(1)當旋鈕開關SA打到“手動”時 ，進入手動運行方式 。在此方式下，可以對任何一臺水泵直接工頻啟動和關停。人工手動操作繁瑣復雜，容易出錯。此方式主要用在設備初期調試和設備檢修巡檢時。

(2)當旋鈕開關SA打到“自動”時，進入自動運行方式。在此方式下，該供水系統可以自動根據用水量的變化調節水泵轉速和水泵的運行臺數，使其達到最優配置[3]。而且在此方式下，還能監測設備的運行狀態，發生故障時及時報警通知工作人員維修，增強了系統的可靠性。

2 供水系統工作原理

2.1 水池水位

液位指示器用于監測水池水位情況，當液位低于最高水位H時，電磁閥YV1開啟，市政管網便向水池注水。當液位低于最低水位L時則停止水泵電機的運行，防止水泵空轉燒毀，發生事故。當液位高于最高液位H時，將電磁閥YV1關閉。

2.2 變頻調速原理

變頻器利用“AC-DC-AC”的方式采用電力電子元器件實現通斷，將電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電。其先將工頻交流電經過整流濾波轉換成直流電，然后再將直流電通過逆變器轉換為電壓頻率均可調的交流電。

三相異步電動機的轉速公式為n=60f(1-s)/p，式中,n為電動機轉速,s為轉差率,f為電源頻率,p為極對數。由該公式可知，當極對數不變時，電機轉速n與電源頻率f成正比，故調節電源頻率f便可平滑地調節電機的轉速。

而轉矩T=kn2與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n3成正比，當轉速變為1/2時,轉矩則為1/4,而功率P減為1/8[3]。根據相關部門的統計，供水系統70%以上的電能用在了水泵上[4]，可見采用變頻器調速可以極大地減少供水系統的電能消耗。而且如果水泵直接啟動，啟動電流能達到額定電流的5～8倍，對電網造成劇烈沖擊，而變頻啟動可以很好地解決這個問題。

2.3 PID調節

壓力傳感器將水壓變送成電流或者電壓信號，再經模擬量輸入輸出模塊EM235將模擬量轉換為數字信號與給定值進行比較，得到偏差信號Δx經P(比例)、I(積分)和D(微分)環節得到頻率信號，控制變頻器變頻調節水泵轉速。

比例調節P是按Δx的值進行比例放大，偏差越大，調節速度越快，但由于慣性原因容易發生超調現象，造成系統不穩定，故比例調節不能單獨使用。積分調節I可以減緩調速過快的問題，減少超調現象的發生。微分調節D根據Δx的變化率(dx/dt)進行調節[5]。比例、積分與微分共同構成PID調節，確保管網水壓恒定。系統閉環控制如圖2所示。

圖2 系統閉環控制框圖

2.4 增泵功能

下面以1#泵正在變頻運行，其余2臺水泵停止運行為例說明增泵功能。當用水量增多，管網壓力減小，促使變頻器加大頻率，1#水泵轉速升高，管網壓力增大。如果當變頻器增大到50 Hz時，管網壓力依舊達不到要求，為防止頻繁啟停水泵對管網和水泵造成損壞，延時5 s再監測管網壓力，若仍達不到給定壓力則工頻啟動1#水泵，2#水泵變頻從0 Hz啟動。如果當2#水泵頻率到達50 Hz后，管網壓力仍未達到給定值，則延時5 s監測管網壓力，若管網壓力仍不符合要求則將2#水泵工頻啟動，將變頻器切換到3#水泵，從0 Hz開始變頻調速。當3臺水泵都處于滿負荷運行，管網壓力仍低于給定值，說明有可能供水管網出現泄漏問題，應及時修復。由1#水泵變頻運行轉變為1#水泵工頻運行、2#水泵變頻運行流程圖如圖3所示。

圖3 增泵功能演示流程圖

2.5 減泵功能

下面以3#水泵變頻運行，1、2#水泵工頻運行為例說明減泵功能。當用水量減少時，變頻器減小頻率，3#水泵轉速減小，管網壓力下降。

當變頻器頻率減小到0 Hz時，管網壓力仍大于給定值，延時5 s再次監測管網壓力。若管網壓力依然大于給定值，則將3#水泵關停，將2#水泵切換至變頻調速模式。若用水量進一步減少，而變頻器頻率已經降至0 Hz時管網壓力還大于給定值，則延時5 s。之后再次監測管網壓力，若依然大于給定值則將2#水泵關停，1#水泵切換至變頻調速狀態。3#關停流程圖如圖4所示。

圖4 減泵功能演示流程圖

2.6 生活/消防分隔

該供水系統是生活與消防共用供水系統，在生活生產中，管網壓力處于低恒壓狀態，當火災發生時處于高恒壓狀態，確保消防有足夠的流量和揚程。其占地面積小，效率高，可以減少對設備的損耗，極大地減少投資成本，但是對供電電源的要求更高。該供水系統應采用雙電源供電，當一電源發生故障時，另一電源便投入使用，并在末端切換。

為了確保在消防狀態下該供水系統能夠確實發揮滅火作用，以及防止水流倒流，污染水源，應在消防管網和生活管網之間增加一個電磁閥，將兩者隔離開，形成兩個獨立的供水系統[6]。

3 上位監控系統

本文設計的供水系統中，上位監控系統釆用昆侖通泰觸摸屏，主要任務是實時顯示現場設備的運行情況，并對故障及時報警，通過PLC控制以實現恒壓變頻供水系統的穩定可靠運行。而PLC的主要任務是收集現場信號，實現對變頻器、電磁閥與繼電器等設備的控制，以及通信數據的交換。

通用監控系統(Monitor and Control Generated System，MCGS)是一套基于Windows平臺由北京昆侖通態自動化科技有限公司開發，可用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。其功能完善，操作便捷，可視性與可維護性良好，在國內應用十分廣泛。

MCGS組態軟件所建立的工程主要由以下五方面組成，分別是主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略，如圖5所示。

圖5 MCGS功能構成圖

用戶窗口共有4項，即恒壓變頻供水系統，恒壓變頻供水系統實時曲線，恒壓變頻供水系統歷史曲線以及退出提示，用戶界面窗口如圖6示。

圖6 用戶窗口

監控系統使用上位機的串行接口與PLC的編程口相連接，從而達到控制PLC的目的。本文設計的監控系統是通過RS-232線讀取PLC數據，實現了與西門子S7-200的連接，監控系統界面如圖7所示。

4 結論

本文設計的恒壓變頻供水系統以PLC為控制核心，結合變頻調速技術、PID調節、壓力傳感等技術，依據用水負載變化實現生活/消防共用恒壓供水系統。該系統自動化程度高，運行安全穩定，節能高效，控制簡單便捷，動態響應迅速，壓力波動變化小，占地面積小，而且可以有效減少水錘現象，延長設備的使用壽命，減少直接啟動大電流對電網的污染，對提高和改善供水品質有重要的實用價值和現實意義。

圖7 恒壓變頻供水監控系統界面

[1] 西門子(中國)有限公司.S7-200可編程控制器系統手冊[Z].北京：西門子(中國)有限公司，2008.

[2] 西門子(中國)有限公司. MICROMASTER 430 通用型變頻器使用大全[Z]. 北京：西門子(中國)有限公司,2003.

[3] 曹錦梅,王明輝.基于PLC與變頻調速的恒壓供水/消防控制系統的設計與分析[J].機電工程技術,2007,36(9):48-49,66.

[4] 王軍偉.基于PLC控制的變頻調速雙恒壓系統簡介[J].山西科技,2010,25(5):97-98.

[5] 王恩義,羅先喜,王甲甲，等.基于PID算法的智能溫控系統設計與實現[J].微型機與應用,2014,33(12):18-20,24.

[6] 趙小惠,趙小娥.基于可編程控制器的恒壓供水系統設計[J].機電工程技術,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

張煒，張民，董雷. 恒壓變頻供水系統的設計與研究[J].微型機與應用，2016,35(5)：36-39.

2015-11-04)

張煒(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化。E-mail：1548320619@qq.com。

張民(1964-)，女，碩士生導師，主要研究方向：電氣自動化。

董雷(1993-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化。