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【摘 要】本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制、PID调节，再经过PID运算，控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压变量供水。
【关键词】变频器；恒压供水；PID调节；HMI
引言
近年来我国大中小城市发展迅速，人民的生活质量不断提高，生活用水的质量也在要求提高。一方面，每天不同时段用水对供水的水压变化较大，集中用水量急剧增加，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市用水水压浮动较大；仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节无法及时达到目的。另一方面，城市高层建筑的供水，供水压力不稳定问题日益突出。为解决以上用水问题，提出了恒压供水技术。
1.恒压供水的特点
在生活供水系统中,供水特点有：
⑴供水量在短时间内变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或十几倍。
⑵对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化。
⑶供水的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出提供的。
2.恒压供水系统
2.1 恒压供水系统的理论
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2-1所示。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，管阻特性反映了水泵的能量用来克服系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。如果由于流量的改变，将改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点,在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
在供水系统中，转速控制是通过改变水泵电机的转速来调节流量，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使水管压力始终保持恒定。
2.2 恒压供水系统组成
本系统以三台水泵组成，包括执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面等部分组成。其工作过程：PLC首先检测排水管压力，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。如图3-3所示。
2.3 工艺流程
水泵M1，M2和M3通过变频器逐步启动，即平滑加速，减速，逐渐停机，它克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。恒压供水系统控制流程如下:
(l)按照接收到启动信号后，首先启动变频泵M1工作，根据出水总管压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速稳定到某一定值。
(2)当用水量增加水压减小时，反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率时，若此时总管压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统将在PLC的控制下自動投入水泵M2(变频运行)，同时变频泵M1工频运行，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续如上转换，将泵M3投入变频运行，同时泵M2工频运行。
(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率时，水管的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M1关掉，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续如上转换，将另一台工频泵M2关掉。
（5）采取“先启先停”的原则投入和退出；如果一台泵连续运行时间超过6h，则自动循环的切换到下一台泵，避免某一台泵工作时间过长。
（6）对泵的操作设手动控制功能，在应急或检修时使用。
3．控制系统电气组成
电气控制总框图如图3-1所示：
由电气控制总框图可知,系统的主要硬件设备包括5部分：（1）PLC及其扩展模块、（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）人机界面等。
4.软件结构
系统的控制功能主要通过软件实现，如下图：
（1）工作泵组数量管理。为了恒定水压，在水压升高（降低）时要升高（减低）变频器的输出频率，且在一台（多台）水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台、第三台水泵（停止最先开启的第一台、第二台水泵）运行管理，即泵的工作泵组数量管理。
（2）多泵组管理。由于变频器可实现电动机软启动功能，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。
（3）PID程序功能。在系统中，只用比例（P）和积分（I）控制，根据经验初步确定的参数为：①增益Kc=0.25，②采样时间Ts=0.2s，③积分时间Ti=30min，④微分时间Td=0。
（4）报警。包括水压越限报警指示灯、变频器故障指示灯以及报警电铃等。
（5）参数曲线。系统HMI参数曲线，可现实水压、频率和转速等数值曲线显示。
（6）报表日志。系统HMI报表日志，可记录多组数据报表。
（7）界面。在HMI界面，可设定PID参数查看、设定等。
（8）菜单。菜单包括：报警显示、参数曲线、报表日志、显示界面等。
5.结束语
本文针对城市小区供水的特点，分析讨论了恒压供水自动控制系统技术。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统，保证压力稳定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统（运动控制系统）[M].机械工业出版社:2006.9
[2]张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第二版) [M].北京:机械工业出版社:2002.86～87
[3]廖常初.PLC编程及应用[M].第三版.机械工业出版社:2008.1
[4]丁芳等.智能PID 算法在液位控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006.6-1:103～105
[5]高湘.给水工程技术及工程实例.北京[M].化学工业出版社:2002.5
作者简介
孔令聪（1976－ ），男，工程师，长期从事水利工程建设工作，研究方向：水电站及泵站的自动化控制。E-mail:kl_cong@163.com
曾祥东（1975－ ），男，工程师，长期从事水利工程设计工作，研究方向：水电站及泵站的自动化控制。E-mail:zenggeer@163.com
【关键词】变频器；恒压供水；PID调节；HMI
引言
近年来我国大中小城市发展迅速，人民的生活质量不断提高，生活用水的质量也在要求提高。一方面，每天不同时段用水对供水的水压变化较大，集中用水量急剧增加，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市用水水压浮动较大；仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节无法及时达到目的。另一方面，城市高层建筑的供水，供水压力不稳定问题日益突出。为解决以上用水问题，提出了恒压供水技术。
1.恒压供水的特点
在生活供水系统中,供水特点有：
⑴供水量在短时间内变化大,这种变化在几个小时内甚至是几倍或十几倍。
⑵对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化。
⑶供水的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出提供的。
2.恒压供水系统
2.1 恒压供水系统的理论
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图2-1所示。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，扬程H与用水流量Qu间的关系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，管阻特性反映了水泵的能量用来克服系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。如果由于流量的改变，将改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点,在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
在供水系统中，转速控制是通过改变水泵电机的转速来调节流量，是通过改变水的动能改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供水方式属于转速控制，工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使水管压力始终保持恒定。
2.2 恒压供水系统组成
本系统以三台水泵组成，包括执行机构、信号检测、PLC控制系统、变频器、人机界面等部分组成。其工作过程：PLC首先检测排水管压力，将模拟量送到PLC控制器，与给定水压值比较后，控制变频器输出频率，调节水泵转速。如图3-3所示。
2.3 工艺流程
水泵M1，M2和M3通过变频器逐步启动，即平滑加速，减速，逐渐停机，它克服瞬间断电停机冲击电流大的弊病，减轻对管道的冲击，避免高程供水系统的“水锤效应”，减少设备损坏。恒压供水系统控制流程如下:
(l)按照接收到启动信号后，首先启动变频泵M1工作，根据出水总管压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速稳定到某一定值。
(2)当用水量增加水压减小时，反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。反之，当用水量减少水压增加时，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
(3)当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率时，若此时总管压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件时，系统将在PLC的控制下自動投入水泵M2(变频运行)，同时变频泵M1工频运行，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续如上转换，将泵M3投入变频运行，同时泵M2工频运行。
(4)当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率时，水管的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M1关掉，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续如上转换，将另一台工频泵M2关掉。
（5）采取“先启先停”的原则投入和退出；如果一台泵连续运行时间超过6h，则自动循环的切换到下一台泵，避免某一台泵工作时间过长。
（6）对泵的操作设手动控制功能，在应急或检修时使用。
3．控制系统电气组成
电气控制总框图如图3-1所示：
由电气控制总框图可知,系统的主要硬件设备包括5部分：（1）PLC及其扩展模块、（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）人机界面等。
4.软件结构
系统的控制功能主要通过软件实现，如下图：
（1）工作泵组数量管理。为了恒定水压，在水压升高（降低）时要升高（减低）变频器的输出频率，且在一台（多台）水泵工作不能满足恒压要求时，需启动第二台、第三台水泵（停止最先开启的第一台、第二台水泵）运行管理，即泵的工作泵组数量管理。
（2）多泵组管理。由于变频器可实现电动机软启动功能，因此每次需启动新水泵或切换变频泵时，以新运行泵为变频泵。具体的操作是：将现行运行的变频器从变频器上切除，并接上工频电源运行，将变频器复位并用于新运行泵的启动。
（3）PID程序功能。在系统中，只用比例（P）和积分（I）控制，根据经验初步确定的参数为：①增益Kc=0.25，②采样时间Ts=0.2s，③积分时间Ti=30min，④微分时间Td=0。
（4）报警。包括水压越限报警指示灯、变频器故障指示灯以及报警电铃等。
（5）参数曲线。系统HMI参数曲线，可现实水压、频率和转速等数值曲线显示。
（6）报表日志。系统HMI报表日志，可记录多组数据报表。
（7）界面。在HMI界面，可设定PID参数查看、设定等。
（8）菜单。菜单包括：报警显示、参数曲线、报表日志、显示界面等。
5.结束语
本文针对城市小区供水的特点，分析讨论了恒压供水自动控制系统技术。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统，保证压力稳定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统（运动控制系统）[M].机械工业出版社:2006.9
[2]张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第二版) [M].北京:机械工业出版社:2002.86～87
[3]廖常初.PLC编程及应用[M].第三版.机械工业出版社:2008.1
[4]丁芳等.智能PID 算法在液位控制系统中的应用[J].微计算机信息,2006.6-1:103～105
[5]高湘.给水工程技术及工程实例.北京[M].化学工业出版社:2002.5
作者简介
孔令聪（1976－ ），男，工程师，长期从事水利工程建设工作，研究方向：水电站及泵站的自动化控制。E-mail:kl_cong@163.com
曾祥东（1975－ ），男，工程师，长期从事水利工程设计工作，研究方向：水电站及泵站的自动化控制。E-mail:zenggeer@163.com