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摘要 传统供水方式主要以恒速泵为动力源，使用水塔储水，通过低压电路来实现控制，由于高低峰用水水压的不稳定性，容易对水供给及其设备造成严重影响，难以满足城市人口的供水需求，这使恒压供水的研究设计显得更加重要。 本设计主要包括四方面的内容：首先，对恒压供水系统的需求进行分析，确定系统要实现的功能；其次，对系统硬件进行设计，包括：PLC可编程控制器的选型、压力变送器的选型、变频器及液位变送器的选型；然后，根据PLC的I/O端口分配及系统功能要求，进行系统梯形图的编写；最后，进行MCGS仿真。
关键词 恒压供水；变频器；PLC 城市人口用水量日益剧增，水资源的短缺，老旧的供水方式已经不足以保证城市剧名用水的供应稳定。老旧供水方式的不稳定性主要体现在其不能一直保持水压的恒定，在用水量大的时候，供小于求，水压低，在用水量小的时候，供大于求，水压高，这样的供水方式不仅导致用户的用水服务质量差，而且会浪费资源。同时，压力过低会造成水泵的空载运行，严重影响水泵寿命，压力过高时，会对水管造成过量负荷，导致水管的磨损甚至爆裂。恒压供水控制系统未普及之前，出现了许多供水方法，如：恒速泵直接供水系统、恒速泵与水塔的供水方式等。这些供水方式劣势明显，主要体现在能耗高、供应不稳定、高水质量差。为了能更加合理的分配资源，满足人们的需求，本文充分运用自动控制、PLC等综合技能，优化供水系统，使各用水场所的供水能力得以提升。 本次课题是关于恒压供水控制系统的设计，因为恒压供水系统具有恒压供水、节能减耗、自动化控制和安装简便等优点，非常适合现在我国用水压力大，高层用水难的国情需要。其主要的工作原理是通过压力变送器反馈管网内的压力信号输入PLC的可拓展模块中与给定压力进行比较，再输入变频器中对水泵实现无极调速。当管网内的压力低，变频器增大水泵的转速，提高供水量。反之减缓水泵的转速，减小管网内水压，降低供水量，实现恒压供水。 变频调速技术是比以往出现的任何一种调速技术都强的当代调节技术，是效益良好、应用广泛、性能稳定的电机调速技术。使用变频调速技术，水泵的起动和停止时间都得到了延长，因为变频器使水泵的工作电源逐渐递增和递减，这样的工作方式对电网的供水实现了缓冲作用，使电网能够安全供电，同时减轻了水泵因为机械转矩作用的机械损耗，延长了水泵工作寿命，减少了资源的浪费。 在国内外关于恒压供水系统的研究中，一般采用一台变频器启动运行一组水泵机组，很少使用一台变频器只启动一台水泵，因为这样的控制方式投资成本太高。随着变频调速技术的发展和恒压供水系统的优异性能被广泛的城镇用户认可和需求，更多的PLC和变频器厂商投入了关于恒压供水系统的研究和设计。例如：法国施耐德公司所研制的有供水基板的变频器，其在有供水基板的变频器上集成了可编程控制器和PID调节控制器，通过预先设定的代码和内置的接触器来实现系统的功能，这样设置的控制系统虽然结构简单，但是其系统的稳定性和精度性不高，在实际使用中，会受到限制。 恒压供水控制系统的主要特点体现在可靠性高，抗干扰能力强等。恒压供水系统的广泛使用不仅能够提升供水的服务质量，并且可以改善城市用水的安全性和节能性。在资源日益短缺的国情下显得很加重要。所以该系统的设计，对于如今讲究效率，降低能耗的政策显得很具有现实意义。
1.2 研究的主要内容 研究内容： （1）系统的工作原理； （2）系统硬件设计，包括：PLC、变频器、压力变送器和液位变送器； （3）系统软件设计，包括：高峰用水时恒压供水，低峰用水时水泵的自行轮休； （4）Step7梯形图的编写； （5）MCGS组态软件设计。 2 恒压供水系统的设计方案 2.1 系统需求分析 在常见的供水系统中，一般应用是的就是恒速供水系统。实际水压的大小是根据用户用水量的大小来决定的，这是一个不稳定，每时每刻都在变化的数值，然而采用恒速供水系统的供水方法，只有通过切换水泵组来实现应对管网内水压大或水压小的情况。因此要保持管网内水压稳定，水压大小保持恒定，恒速供水系统是很难完成的。而且不停的切换水泵组，就是不停的启动停止水泵。电机常开常闭是不允许的，这样严重时会导致设备的损坏，或者减短水泵的使用寿命，并且造成大量能耗，不能实现资源的节约。而另外一种调节阀门的供水方式，维护成本大、供水不够精确、浪费资源，严重时会导致整个管网的瘫痪。而本次设计的恒压供水系统就需解决这些问题。 首先，要面对的是对管网内压力值的实时监控，一般选取管网出水口作为压力值的输入信号，在本次设计中使用压力变送器来测量这些数据并传送进入PLC中，进行PID调节控制，减少误差和调节精度，最后通过变频器来改变水泵转速实现确保管口出口处水压值的稳定不变。设计中采用一台变频器控制三台水泵的方式，这样的控制方式使同一时间内，只有一台水泵在变频运行，方便水泵在变频和工频之间的切换。在应用中，运行情况是一台变频泵运行，另外两台水泵是否在工频运行，需要根据实际的供水需求来决定。以这种的方式来满足用水客户的需求。 其次，水泵的长时间工作会导致电机组发热导致线路老化，所以为了水泵能够延长寿命。需要实现的是水泵的自行轮休即先开先停。 最后，因为压力传感器是主要检测环节，变频器是控制环节。所以如果出现了故障，那么为了不影响供水应该在设备上加上切换开关，来实现手动控制。 2.2 系统方案选择 在上文设计中，主要介绍了系统的工作原理，根据工作原理可以知道系统主要包含的硬件有压力变送器、变频器和水泵机组等。对于恒压供水的设计，需要使系统能够有效的控制多台水泵的变频与工频运行的切换来实现管网水压的恒定，同时系统还需要方便各个变送器与控制单元之间数据传输。根据这些要求，共有三种方案可供选择： （1）有供水基板的变频器 水泵机组 压力变送器 这种方案是在有供水基板的变频器上集成了可编程控制器和PID调节控制器，通过预先设定的代码来实现系统的功能。这样设置的控制系统虽然结构简单，体积小，成本低，但在系统运行时，系统的稳态精度不高、动态性能难以保证，很难实现恒压供水的稳定性。其可拓展功能少，数据通信困难，所以仅能应用在要求精度不高的小容量供水场合。 （2）通用变频器 单片机（包括变频控制、调节器控制） 压力变送器 这种系统方案是具有高性价比的，主要体现在其系统的精度高和PID调节器算法的参数选取简便，但使用的单片机决定其系统在实际调试应用中，程序修改不灵活导致系统可调性差。而且变频器运行时，会产生干扰信号。在系统应用时，要寻求能够阻碍变频器干扰的方法来保证系统的精准性。该系统应用的场合不广泛，只能在特定的领域才能实现其应有的性能。 （3）通用变频器 PLC（包括变频控制、调节器控制） 压力变送器 这种方案可靠性高，系统抗干扰能力强。选用的PLC具有多样的输入输出接口，使各硬件之间连接简便和数据交换灵活。并且在实际应用中，PLC系列产品的多样化和模块化可以根据控制系统的规模来组成不同的PLC型号与可拓展模块。在硬件设计中，只要确定PLC型号、可拓展模块型号和I/O接口分配，当系统要求功能发生改变时，只需重新设定PLC程序存储器中的程序就可以满足新的功能要求。PLC的可靠性和抗干扰性表现优良，因此选用PLC的控制系统，其精准性能强。该系统具有的优异特性使其能够广泛使用于各类要求的供水场合。 比较这三种方案，第三种方案具有可靠性和抗干扰性更加适合应用于本系统。其PLC具有的优良特点能够使控制系统灵活的应用不同要求的供水场合，其良好的抗干扰能力能提高系统控制精度以及系统稳定性。 根据恒压供水系统方案的选择，设计的系统框图见图2-1。
图2-1 恒压供水系统的系统框图
本系统主要包括三个机构，分别是信号检测机构、控制系统机构和执行机构。 1、信号检测 （1）要检测的信号主要是由压力变送器和液位变送器检测和传输的，压力变送器主要采集的是管网出口出的压力信号，而液位变送器则是测量水箱的水位信号。压力信号是恒压供水控制中最为重要的一个模拟信号。 （2）系统是否在正常的状态下运行，变频器是否出现了故障了，可以通过报警信号来反映出来。
2、控制系统 控制系统主要是由变频器控制水泵运转，其运转循环的方式有两种：变频循环式和变频固定式。在本次设计中，采用的是变频循环式，其工作方式是：变频器循环运行水泵，当一台变频泵的运转频率达到上限值时，切断变频器与水泵的连接，连接上工频电源运行水泵，同时启动新水泵与复位的变频器连接，变频运行新水泵。而变频固定式工作方式为：变频器只固定运行一台水泵，当变频泵运行达到上限值时，启动新的水泵连接上工频电源，同时复位变频器，不对变频器的运行对象做出调整。 3、执行机构 执行机构是三台水泵组成的水泵组组成。其中三台水泵是由变频器控制，可以在变频和工频之间切换的水泵组，但变频器统一时间内只能运行一台水泵。变频泵可以根据反馈的压力模拟信号，对电机的转速进行调整，使管网内的水压保持恒定。而工频泵只能保持50Hz频率恒定运行，用于变频泵达到50Hz加泵的条件下投入运行。
基于PLC的恒压供水系统设计的基本要求如下： （1）恒压供水系统中的水泵应该能够实现自行轮休功能。在供水需要量小时，当变频泵运行超过3个小时时，需要切换到新的水泵来变频运行。避免一台变频水泵工作时间太长； （2）为了使水泵寿命延长，水泵应该遵循先开先停，先停先开的原则。这样的考虑不仅能够保护水泵组，还能实现节约能耗的功能。 基于上述要求，对系统的软件分析如下： （1）系统工作泵组管理 当管网内水压降低时，提升变频泵的输出频率，加大供水流量。当变频泵运行频率达到上限却依然无法满足供水压力的要求时，通过启动新的水泵来增强水压。反之，通过减少已启动的水泵来减弱水压。这个功能的实现主要是依据判断变频泵输出频率是否达到上下限，可以通过梯形图的比较指令来实现。 （2）三台水泵组的交替运行分析 在本设计中，对水泵的运行时间也是有严格控制的，当变频泵连续运行的时间超过3个小时时，切断其与变频器的连接，然后将变频器与新启动的泵连接起来。同时，水泵组的交替运行方式在软件中通过泵号加1的方式来控制变频泵的循环，通过泵号和工频泵运行总数实现对工频泵的控制。 4.2 水泵切换条件分析 当管网出口处的实际压力低于给定压力，此时通过加快电动机的转速或增加水泵来增大供水流量，达到恒压水压；当管网的实际压力高于给定压力，此时通过减缓电动机的转速或减少水泵泵来减少供水流量，来达到恒定水压，那么当变频泵运转达到上限或下限频率时，怎么切换变频/工频水泵才能使系统稳定供水，并且能减少机组切换频率？ 由于电网限制，50Hz为变频器调节水泵运转的上限频率，0Hz为变频调节水泵运转的下限频率。然而在实际应用中，由于管网内水压会反方向推向水泵，会给变频器水泵一个反向的力矩，反向水压会阻止水池中的水继续进入管网内，因此变频器调节的下限频率不会降到0Hz。所以在实际使用中，采用20Hz为水泵组切换变频器的下限频率，50Hz为水泵组切换变频器的上限频率。 当变频泵运行的频率达到上限频率时，实际压力在设定压力左右波动时，如果设定压力大于实际压力就进行水泵机组的切换，很可能由于新加的一台水泵组，实际压力有可能会突然低于设定的压力。在极端的情况下，运行机组增加后，由于水泵运行的下限，设定压力又小于实际压力，此时又达到了切换条件，这边增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态。这样的工作状态无法满足稳定的供水压力，也似的频繁切换机组，增加了机组的损耗，减少了机组使用的寿命。在实际的应用中，水泵机组的切换条件判别式是通过修改得到的。 实际机组的切换条件见式（4.1）和式（4.2）： 式（4.1） 式（4.2） 式中 ——表示频率； ——表示上限频率； ——表示下限频率； ——表示压力； ——表示反馈压力； ——表示实际压力。 |
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