變頻恒壓供水控制系統研究

高志偉

（河南工業技師學院，河南鄭州450007）

變頻恒壓供水控制系統研究

高志偉

（河南工業技師學院，河南鄭州450007）

從實際應用出發，列舉了各種供水方式的特點，進而分析了恒壓供水的控制思路，特別是PID參數的計算過程，最后結合具體控制要求，以實例的形式給出了變頻恒壓供水控制系統主電路圖、PLC接線圖、變頻器接線圖、PID參數設置等。整個系統選用三菱PLC（FX2N-48MR）為控制核心，采集水位傳感器、壓力傳感器信號作為輸入，設置三菱變頻器（FR-A700）相關參數，PLC的輸出控制水泵電機運行，同時兼顧備用水泵、工頻/變頻、故障報警、上位機通信等功能，以達到安全、節能、實用之目的。

PLC；變頻器；恒壓供水；PID控制

隨著社會的進步和城市的發展，高層建筑越來越多，水、暖、電的穩定、實時控制可方便人們的生活。特別是城市供水問題，地下管網復雜、年久失修，導致事件多發。如何避免類似問題出現，實現自動控制，以達到安全、穩定、節能的目的值得思考。

1 供水方式比較

1.1 市政直接供水

通過自來水公司直接把管道供給用戶，中間不添加任何設備。其特點為：①成本低；②一般用于多層建筑，供水壓力有限，而且在用水高峰期水壓不穩定，停水、水壓小等問題依然存在。

1.2 天臺供水

通過水泵把水送至樓頂天臺，再通過用戶管道送至各用戶。其特點為：①一般用于小高層建筑，但建筑物所承擔的負荷過大。②因水塔露天，如果長期不清洗容易滋生各類細菌，不利于健康。③由于其采用自上而下供水，壓力相對比較穩定。④樓層較高，耗電多。

1.3 恒壓供水

通過市政管道將水存儲，利用水位傳感器檢測實時水位。通過多臺水泵將水送至各用戶管道，利用壓力傳感器實時檢測水壓，以此來控制電機的轉速。其特點為：①壓力穩定。無論在用水高峰期還是低谷期，水管內的壓力波動小。②污染小，樓的承重負荷小。③由于其采用變頻器、PID控制，水泵輪流工作，所以其節能效果好。

2 變頻恒壓供水控制過程

2.1 控制思路

變頻恒壓供水控制系統設計框圖如圖1所示。

根據用水情況設置壓力值，通過壓力傳感器檢測當前管道內的水壓，并把當前的水壓值傳遞給PLC；PLC輸出給變頻器，按照設定的參數實現自動控制，從而控制水泵電機，再次改變壓力值。

圖1 變頻恒壓供水控制系統設計框圖

基本控制邏輯為：當用水量大時，水壓減小，PLC得到水壓在減小的信號，提高水泵的轉速來提升水壓；當用水量減小時，PLC會降低水泵的轉速來減小水壓。通過采樣反饋值，比較設定值，改變輸出值，基本保持水壓恒定。

2.2 控制系統組成

可編程控制器起控制核心作用，接收傳感器的輸入信號，輸出變頻器的控制信號。

變頻器起調速作用，控制多臺水泵電機的轉速，具有節能功能。

傳感器可把測量值（比如速度、壓力、溫度等）變為電信號（電壓為0～5V，電流為4～20 mA）。

數模轉換技術：對于A/D轉換，傳感器檢測到的模擬量（電壓）要通過模數轉換，送至PLC中進行處理；對于D/A轉換，PLC處理后的數據要通過D/A轉換，轉變成模擬量（電壓），控制變頻器輸出頻率，從而調節水泵的轉速。

2.3PID參數計算

在實際計算PID參數時，需要列出方程，計算壓力與電壓（電流）的比例關系，然后計算電壓（電流）與頻率的關系，最后把頻率的值賦給各PID參數。比如，某供水系統設定供水壓力為3 MPa，上限為3.5 MPa，下限為2.5 MPa，壓力傳感器的壓力范圍0～5 MPa，反饋電流是4～20 mA。要求計算設定值Pr.133、Pr.131上限值、Pr.132下限值。可依次列出以下方程。

壓力與電流的關系式：

電流與頻率的關系式：

分別代入x1=2.5、x2=3、x3=3.5，則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 恒壓供水系統應用實例

3.1 變頻功能的實現

變頻恒壓供水控制系統主電路圖、PLC接線圖和變頻器接線圖如圖2所示。

在實現工頻運行的基礎上，要實現以下幾個變頻功能：①閉合轉換開關，選擇變頻功能。此時，泵選擇開關不起作用，按下變頻啟動按鈕，系統自動判斷，如果1#泵無故障且變頻器無故障，則1#泵啟動；如果1#泵故障，但變頻器無故障，則2#泵啟動；如果變頻器故障，則變頻器不啟動。②變頻器運行后，泵處于PID控制狀態，系統目標值設定為60%，依據反饋值狀態（設備上設有電壓源、電流源），自動調整變頻器輸出頻率，最高45 Hz，最低30 Hz。③泵運行過程中，如果處于運行狀態的泵出現故障，則自動切換到無故障的泵上運行；如果都有故障，則系統停止運行。④按下急停按鈕，運行的泵停止，按下SB2工頻啟動，泵不運行，在任何情況下，2臺泵不允許同時運行，不允許與工頻同時運行。

3.2 變頻器PID主要參數設置

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依據水泵電動機的實際參數設定，Pr.128=20、Pr.129=100%、Pr.130=10 s、Pr.131=95%、Pr.132=60%、Pr.133=60%、Pr.134=2 s。

4 總結與思考

恒壓供水系統具有壓力穩定、節能等特點。本系統在實際應用時，可根據樓層情況增加或減少水泵數量，同時采用備用泵，保證系統可靠運行。為了增加用戶的可操作性，控制界面采用觸摸屏的形式顯示當前時間、溫度、壓力，采用組態軟件實時動畫顯示水位和壓力情況。也可把水、電的報警信號直接通信至物業，第一時間將故障解除。

［1］龍章眷.PLC與變頻器在自動恒壓供水設備中的應用［J］.科技信息，2007（03）.

［2］張偉林，吳清榮.西門子PLC變頻器與觸摸屏綜合應用實訓［M］.北京：中國電力出版社，2014.

圖2 變頻恒壓供水控制系統主電路圖、PLC接線圖和變頻器接線圖

〔編輯：張思楠〕

TM921.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.090

2095－6835（2017）14－0090－02

高志偉（1985—），男，河南嵩縣人，河南工業技師學院講師。