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[摘 要]采用变频器和可编程控制器PLC等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的一项有效措施，本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性，彻底解决了上述问题，是一項颇有实用价值的调压系统，为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。
[关键词]恒压、供水、消防水、PLC、控制
中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0243-01
1、引言
采用变频器和可编程控制器PLC等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的一项有效措施，以往采用的储气罐供水既不稳定又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，且在发生火灾等紧急情况时无法满足消防水系统恒压供水的要求。本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调压系统，为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。
2、控制原理
基于S7-200的变频恒压供水系统的工作原理，是利用S7-200的可编程控制器和变频器作为控制核心，时刻跟随管网的压力与压力设定值的偏差变化情况，利用变频器检测实际水压值，再将实际水压值和设定值进行比较，按照变频器内部的PID规律运算后，自动控制水泵电机的转速；通过PLC输出控制变频与工频切换；自动控制水泵电机投入台数和水泵电机的转速，实现闭环自动调整恒压供水，在保持恒压下达到控制流量的目的；同时利用“先启先停”的原则，自动巡检每天水泵的运行时间，保证每台水泵的工作时间一样。
本文以热电有限公司气体分公司的消防恒压供水系统为例，设计了一套恒压供水系统（见附图），本文重点介绍一拖三消防泵控制系统。
控制要求：
（1）控制系统具有手动、自动两种工作方式，手动用于设备调试、检修及其特殊情况下的供水。正常情况下，设备置于中控自动位，实现自动运行。
（2）当工作方式转换开关处于自动时，可以根据设定压力自动进行控制，保证恒压供水。
（3）当工作方式转换开关处于手动时，由人工在柜面上通过电位器调节各水泵转速。
（4）清水泵泵正常情况下为一用一备，两台水泵互为备用；循环泵正常情况下为两用一备，三台水泵互为备用，由可编程控制器控制三台水泵之间的自动启停。
（5）系统具有运行、报警、故障等信号，均为无源常开点。
3、系统工作过程
变频调速恒压控制系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器等组成。系统采用一台变频器拖动三台电动机的启动、运行与调速，三台电机循环使用的方式运行，系统结构图如附图所示。
根据现场生产的实际情况，一般只需要一台泵变频工作就能满足生产需要，在用水高峰时期或特殊情况下需要一台泵变频运行一台泵工频运行，且保证每台泵工作的时间一样，循环使用每台泵。极特殊情况需要两台甚至三台水泵同时运行。
分析自动控制系统的工作过程，可以分为以下四种情况：
（1） 第一种情况
泵1在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50Hz；这时泵1由变频变为工频，泵2变频运行；泵1没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵1工频运行，只有泵2变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵1的运行，让泵2变频运行以保证供水压力恒定。
（2） 第二种情况
泵2在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50Hz；这时泵2由变频变为工频，泵3变频运行；泵2没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵2工频运行，只有泵3变频运行，这期间一旦泵2出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵2的运行，让泵3变频运行以保证供水压力恒定。
（3） 第三种情况
泵3在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50HZ；这时泵3由变频变为工频，泵1变频运行；泵3没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵3工频运行，只有泵1变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵3的运行，让泵1变频运行以保证供水压力恒定。
在PLC程序设计中，必须认真考虑这三种情况和三种情况的循环，才能保证系统实现正常的切换与长期稳定的运行。
（4）第四种情况
当发生火灾等特殊情况，消防水管道压力持续降低，当降低到设定值的时候启动1台泵的工频运行以保持消防系统正常压力，如果一台泵不能满足要求，则继续启动第2台消防泵，甚至启动第3台。以确保系统管网的压力稳定。
4、系统硬件的设计
4.1 变频器硬件设计
变频器选用西门子MICROMASTER430型11kW变频器产品，适配电机11kW，该变频器基本配置中带有PID功能，通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的一个压力信号（4～20mA）接在变频器的辅助，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上，变频器的极限输出频率的检测输出信号端进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信号，变频器的极限输出频率通过面板可以设定，一般为50Hz。变频器的故障输出端分别进PLC可编程控制器和故障指示灯，PLC可编程控制器让故障泵停止工作，切换到正常泵，同时让故障指示灯亮，提醒人们。变频器面板上有故障复位按键，一般的故障用复位按键复位，可以重新启动变频器；变频器的运行与停止端子接到PLC可编程控制器的输出端；变频器的U、V、W输出端并联3个接触器分别接到3个泵上面，变频器可分别带动3个泵，3个泵还可以通过另外3个接触器并联到工频电源上。
4.2 PLC硬件设计
根据系统要求，系统数字量输入点总有3个，数字量输出点11个，PLC可编程控制器选用西门子S7-200中的CPU224系列。实现了恒压供水的功能。
5、结束语
该系统逻辑控制采用PLC，压力调节采用带PID控制的变频器，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，无冲击，具有较好的控制效果。在实际运行中，可以根据用户实际需要，通过改变压力给定，进行任意设定，在系统进行增泵或减泵过程中，水压波动允许的范围内，一旦增泵或减泵过程结束，压力立即稳定到设定值，这个过程前后不到30s时间，很好地满足了用户用水要求。该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，节能效率可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。运行结果表明，采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，有着很强的实用性，具有压力稳定、结构简单、工作可靠等特点，为供水领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。
[关键词]恒压、供水、消防水、PLC、控制
中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0243-01
1、引言
采用变频器和可编程控制器PLC等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的一项有效措施，以往采用的储气罐供水既不稳定又不经济，更重要的是浪费了大量的能源，且在发生火灾等紧急情况时无法满足消防水系统恒压供水的要求。本文介绍的变频恒压供水系统以其有效的实用性和经济性，彻底解决了上述问题，是一项颇有实用价值的调压系统，为现有的供水系统技术改造提供了切实可行的途径。
2、控制原理
基于S7-200的变频恒压供水系统的工作原理，是利用S7-200的可编程控制器和变频器作为控制核心，时刻跟随管网的压力与压力设定值的偏差变化情况，利用变频器检测实际水压值，再将实际水压值和设定值进行比较，按照变频器内部的PID规律运算后，自动控制水泵电机的转速；通过PLC输出控制变频与工频切换；自动控制水泵电机投入台数和水泵电机的转速，实现闭环自动调整恒压供水，在保持恒压下达到控制流量的目的；同时利用“先启先停”的原则，自动巡检每天水泵的运行时间，保证每台水泵的工作时间一样。
本文以热电有限公司气体分公司的消防恒压供水系统为例，设计了一套恒压供水系统（见附图），本文重点介绍一拖三消防泵控制系统。
控制要求：
（1）控制系统具有手动、自动两种工作方式，手动用于设备调试、检修及其特殊情况下的供水。正常情况下，设备置于中控自动位，实现自动运行。
（2）当工作方式转换开关处于自动时，可以根据设定压力自动进行控制，保证恒压供水。
（3）当工作方式转换开关处于手动时，由人工在柜面上通过电位器调节各水泵转速。
（4）清水泵泵正常情况下为一用一备，两台水泵互为备用；循环泵正常情况下为两用一备，三台水泵互为备用，由可编程控制器控制三台水泵之间的自动启停。
（5）系统具有运行、报警、故障等信号，均为无源常开点。
3、系统工作过程
变频调速恒压控制系统构成由可编程控制器、变频器、水泵电机组、水位传感器等组成。系统采用一台变频器拖动三台电动机的启动、运行与调速，三台电机循环使用的方式运行，系统结构图如附图所示。
根据现场生产的实际情况，一般只需要一台泵变频工作就能满足生产需要，在用水高峰时期或特殊情况下需要一台泵变频运行一台泵工频运行，且保证每台泵工作的时间一样，循环使用每台泵。极特殊情况需要两台甚至三台水泵同时运行。
分析自动控制系统的工作过程，可以分为以下四种情况：
（1） 第一种情况
泵1在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50Hz；这时泵1由变频变为工频，泵2变频运行；泵1没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵1工频运行，只有泵2变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵1的运行，让泵2变频运行以保证供水压力恒定。
（2） 第二种情况
泵2在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50Hz；这时泵2由变频变为工频，泵3变频运行；泵2没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵2工频运行，只有泵3变频运行，这期间一旦泵2出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵2的运行，让泵3变频运行以保证供水压力恒定。
（3） 第三种情况
泵3在变频器的带动下变频运行，当用水量增大时，变频器达到最大50HZ；这时泵3由变频变为工频，泵1变频运行；泵3没有出现故障，而用水量又减小，在PLC可编程控制器控制下，停止泵3工频运行，只有泵1变频运行，这期间一旦泵1出现故障，在PLC可编程控制器控制下，停止泵3的运行，让泵1变频运行以保证供水压力恒定。
在PLC程序设计中，必须认真考虑这三种情况和三种情况的循环，才能保证系统实现正常的切换与长期稳定的运行。
（4）第四种情况
当发生火灾等特殊情况，消防水管道压力持续降低，当降低到设定值的时候启动1台泵的工频运行以保持消防系统正常压力，如果一台泵不能满足要求，则继续启动第2台消防泵，甚至启动第3台。以确保系统管网的压力稳定。
4、系统硬件的设计
4.1 变频器硬件设计
变频器选用西门子MICROMASTER430型11kW变频器产品，适配电机11kW，该变频器基本配置中带有PID功能，通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值，压力传感器反馈来的一个压力信号（4～20mA）接在变频器的辅助，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速，控制管网压力保持在给定压力值上，变频器的极限输出频率的检测输出信号端进PLC，作为泵变频与工频切换的控制信号，变频器的极限输出频率通过面板可以设定，一般为50Hz。变频器的故障输出端分别进PLC可编程控制器和故障指示灯，PLC可编程控制器让故障泵停止工作，切换到正常泵，同时让故障指示灯亮，提醒人们。变频器面板上有故障复位按键，一般的故障用复位按键复位，可以重新启动变频器；变频器的运行与停止端子接到PLC可编程控制器的输出端；变频器的U、V、W输出端并联3个接触器分别接到3个泵上面，变频器可分别带动3个泵，3个泵还可以通过另外3个接触器并联到工频电源上。
4.2 PLC硬件设计
根据系统要求，系统数字量输入点总有3个，数字量输出点11个，PLC可编程控制器选用西门子S7-200中的CPU224系列。实现了恒压供水的功能。
5、结束语
该系统逻辑控制采用PLC，压力调节采用带PID控制的变频器，使用方便，工作可靠，系统压力恒定，无冲击，具有较好的控制效果。在实际运行中，可以根据用户实际需要，通过改变压力给定，进行任意设定，在系统进行增泵或减泵过程中，水压波动允许的范围内，一旦增泵或减泵过程结束，压力立即稳定到设定值，这个过程前后不到30s时间，很好地满足了用户用水要求。该系统采用变频器调节水泵转速，使系统实现了高效节能，节能效率可达40%左右，同时由于采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。运行结果表明，采用PLC和变频器为核心部件构成的变频恒压供水系统，有着很强的实用性，具有压力稳定、结构简单、工作可靠等特点，为供水领域的技术革新，开辟了切实有效的途径。