基于PLC的居民小區變頻恒壓供水系統的設計

李夢瑤

摘要：居民小區用水量呈現一定的規律，有用水高峰期和低峰期。在用水高峰期，水的供給量常低于居民需求，出現水壓過低導致水供不應求的情況出現；在用水低峰期，供水量超過需求量，從而出現水壓升高，不僅浪費水資源，同時有可能會出現管道壓力過大引起爆裂和用水設備損壞的情況。為了解決這個問題，將PLC變頻技術應用于供水系統。PLC變頻恒壓供水系統可以通過變頻技術調節電機的轉速，從而能夠自動保持水管內的水壓恒定，并且它還可以根據居民用水情況對其實行操作系數的自動調節，滿足各樓層居民的日常用水，改變了以往高層水壓上不來的情況。

關鍵詞：PLC 變頻 恒壓 供水系統

一、變頻恒壓供水系統介紹

恒壓供水是指用戶端在任何時候，不管用水量的多少，都能保持供水管道中水壓的基本恒定。恒壓供水系統中，為了保持供水管道中的水壓基本恒定，需要根據設定的供水管道壓力與實際的管道壓力的進行比較，得到的壓力差經過PlD控制器計算和轉換，得到變頻器輸出頻率的變化值，從而調節水泵的轉速，達到調節管道中水壓的目的。最終使實際水壓和設定水壓相等。變頻恒壓供水系統的原理圖如圖1所示。

根據公式：n=60f/p，在極對數p不變的情況下，同步轉速n和電源頻率f成正比。連續地改變供電電源頻率，就可以平滑地調節電機的轉速，被稱之為變頻調速。變頻恒壓供水系統實現水泵電機無級變速，根據用水量的變化自動調節系統的運行參數，達到維持恒定供水壓力的目的。

根據流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，電動機軸上的消耗功率和轉速的平方成正比。采用交流變頻調速恒壓供水。不僅可以保證供水水源穩定，又能有效減少電能的損耗。變頻恒壓供水首先節能是最主要的特點，平均可以節電20%-40%，實現了綠色用電。體積小配置靈活，自動化程度高。自動化水平高，可以實現無人值守，節約人力物力等優點。

研究已知包括官網、水箱、水泵機組的被控對象可以看成一個純滯后的一階慣性環節。由于供水系統管道長、管徑大，管網的充壓比較慢，敵系統是一個大滯后系統，不宜直接采用PlD調節器進行控制，而應采用PLC參與控制的方式來實現對控制系統的調節。

本設計中的技術要求有：

（1）供水壓力正常設定為0.5MPa，最大供水壓力為0.6 MPa，最小供水壓力為0.1 MPa，水壓的波動不超過士1%。

（2）采用四個水泵供水，并能夠完成自動和手動控制。

（3）水泵機組采用循環軟啟動工作方式；系統開始啟動時，第一臺水泵變頻工作，當水壓滿足不了需求時，第一臺工頻運行，投入第二臺變頻運行，以此類推，直到第四臺水泵啟動；水泵停泵時，先停第一臺正在工頻工作的水泵，以此類推，再停在變頻工作的水泵。

二、系統總體方案的設計

1.控制方案的選擇

本設計采用交流變頻調速恒壓供水的控制方案。變頻恒壓供水有兩種運行方式（1）補償式運行方式（2）循環軟啟動運行方式。分析兩種運行方式的優缺點，最終本設計采用循環軟啟動的工作方式。

2.控制器的選擇和控制系統的組成

本設計采用主-從控制結構，即上下級兩級計算機控制。上位機采用PC機，下位機采用PLC。

變頻恒壓供水系統有水箱、管路、閥門和水泵機組、電氣操作系統和各種傳感器、儀表等所組成。其中水箱包括上位水箱和下位水箱；電器操作系統以PLC和變頻器為核心，還包括小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器、直流電源以及指示燈和主令電器等；傳感器和儀表由溫度傳感器、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器等組成。水泵機組有四臺TLS40-200單級單吸式離心泵組成，這種水泵運行穩定、噪聲小、便于維修。

①PLC的選擇

根據本設計中的控制要求，估算本設計有20個開關量輸入，輸出，還有電壓、電流、壓力等10個模擬量輸入，輸出。通過計算可知，開關量和模擬量總共需要2706字節的存儲空間，再考慮到程序存儲空間和備用存儲空間，估計本系統需5KB存儲器容量。

根據輸入，輸出的點數和估算出的存儲器容量，選擇PLC型號和模塊擴展。本設計選擇西門子S7-200系列的PLC，主機為CPU224模塊。該模塊共有24個I/O點，13KB的存儲器容量，另外還具有PID控制器，完全能滿足系統的需求。

②變頻器的選擇

變頻器實現對水泵機組轉速控制，通過跟蹤PlD控制器發出的控制信號來改變水泵的運行頻率，從而實現對水泵轉速的改變。本設計采用西門子MM440矢量型變頻器。變頻器采用循環工作方式。

③變送器和執行機構的選擇

壓力變送器型號EHT-13-2、流量變送器型號LW-25、溫度變送器型號JWSL-3AT；上述變送器完成對信號和檢測和變送。執行結構為電磁閥和流量閥。

3.軟件系統設計

①模塊化程序設計

程序包括主程序、定時采樣子程序、PlD控制子程序、故障報警子程序等。其中主程序流程圖如圖2所示。

②控制周期的選擇

根據設計要求，選擇系統的采樣周期為200ms，濾波周期和控制周期均為6.4s。

⑨PID參數自整定

S7-200系列的PLC控制器參數的整定由自整定的功能，可以實現PID控制參數的自整定。

三、結論

本設計中的變頻恒壓供水系統投入使用后，供水壓力恒定，滿足了各種設計要求。endprint