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引言：随着人们对生活水平要求的不断提高和经济社会发展的需求，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。PLC的恒压供水系统集变频技术、电气技术以及PLC控制技术于一体。采用该系统进水供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理和监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
一、基本原理、结构组成和设计的总体方案
（一）变频恒压控制
供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。
在系统运行过程中，出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
如果实际供水压力低于设定压力，变频器将得到正的压力差，这个差值经过变频器转换PID计算变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
（二）PLC的恒压供水控制系统构成总体方案
1、供水系统总体组成
泵站基于PLC的恒压供水控制系统。系统共有两台水泵，两台水泵分别由M1、M2电动机拖动，由KM1、KM2、KM3接触器控制。系统采用了S7-300型PLC（cpu 313c，16个输入点，16个输出点）、三棱变频器FR-A740、压力传感器、浮子式液位开关及其他控制设备。供水系统压力传感器装于管网出口，储水池水位监测浮子液位开关传感器装于储水池顶部。
系统分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（1）执行机构：执行机构是由一两台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。1号泵可工频运行，也可变频运行；2号泵只变频运行。由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
（2）信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，输入变频器；水池水位信号反映储水池的高水位情况，水位过高时发出报警。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。
（3）控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括PLC控制器、变频器和电控设备三个部分。PLC控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心，直接对变频器运行情况、电网过电压等信息进行采集；对来变频器数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪水压传感器送来的模拟量信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
2、控制流程
首先启动1号水泵电机工作在调速状态。当变频器运行频率到达上限时，并稳定运行后，若此时管网压力低于水压设定值，则增加2号水泵。在PLC的逻辑控制下将1号水泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1号水泵电机切换到工频运行，同时变频器与2号水泵电机连接，使2号水泵电机工作在调速状态。当供水压力大于设定值时，则需进入减泵过程。此时变频器输出频率降低，水泵电机速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机。如果此时两台水泵均在运行，则减2号水泵，并使1号水泵电机工作在调速状态。否则1号水泵停机。如果管网压力仍大于设定值，则停机。
二、硬件系统设计
（一）主电路
主电路由空气开关QF控制；变频器电源由断路器KM0控制；交流接触器KM1、KM3控制1号泵、2号泵变频运行，KM2控制1号泵工频运行，FR1、FR2分别为两台水泵电机过载保护用的热继电器；FU为变频器控制电源的熔断器。
（二）控制电路主要功能
1、手动控制，当对水泵进行安装检修调试或压力传感器等不能正常工作时，可用手动控制方式控制水泵的起停。
2、自动控制，在系统正常时，该控制方式能根据用水量的变化，自动完成两台水泵的软起动、停止、切换的全部操作。
3、水位保护，为防止在用户水量很小时（例如晚间），蓄水池内的水位过高而溢出水池，系统通过安装在蓄水池上部的浮子式液位开关液位检测装置，将蓄水池高水位信号传递给PLC控制，发出声光报警信号。
4、过载保护，当变频器过载时，变频器自动停止输出，以保护变频器及水泵，并发出停止输出信号至PLC控制，发出报警信号。
5、过电压保护，当电网出现电压过高，装设有主电路上的过电压保护装置（型号：DJ-131）输出过压信号至PLC控制，PLC发出输出停止信号跳电源断路器，以保护变频器及水泵。
三、PLC程序设计
（一）故障报警
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、储水池水位过高造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，系统判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
当电网出现过电压时，过电压继电器常开接点闭合，将信号出时输出到PLC及信号控制回路，信号灯亮发出报警；当220V AC/24V DC压变模块C1出现断线故障时，压变模块C1常开接点断开，信号灯灵。
PLC控制根据输入点信号I0.5过电压继电器判断主电源是否过压、I0.7变频器工作状态是否正常、I1.4变频器运行是否过载，确定是否投入电源断路器，以保护变频器及水泵，并根据故障相应报警。
四、总结
本系统中，PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。PLC编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计，实现变频器的故障诊断和电机的控制。实现恒压供水保证了供水的质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面系统实现声、光报警，保障供水的可靠性和安全性，保障设备的安全。
（作者单位：南昌市安义县城市防洪工程管理站）
一、基本原理、结构组成和设计的总体方案
（一）变频恒压控制
供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水。
在系统运行过程中，出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。水压由压力传感器的信号4-20mA送入变频器内部的PID模块，与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号，以调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
如果实际供水压力低于设定压力，变频器将得到正的压力差，这个差值经过变频器转换PID计算变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
（二）PLC的恒压供水控制系统构成总体方案
1、供水系统总体组成
泵站基于PLC的恒压供水控制系统。系统共有两台水泵，两台水泵分别由M1、M2电动机拖动，由KM1、KM2、KM3接触器控制。系统采用了S7-300型PLC（cpu 313c，16个输入点，16个输出点）、三棱变频器FR-A740、压力传感器、浮子式液位开关及其他控制设备。供水系统压力传感器装于管网出口，储水池水位监测浮子液位开关传感器装于储水池顶部。
系统分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
（1）执行机构：执行机构是由一两台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。1号泵可工频运行，也可变频运行；2号泵只变频运行。由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。
（2）信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管网水压信号、水池水位信号和报警信号。管网水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，输入变频器；水池水位信号反映储水池的高水位情况，水位过高时发出报警。此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。
（3）控制机构：供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括PLC控制器、变频器和电控设备三个部分。PLC控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心，直接对变频器运行情况、电网过电压等信息进行采集；对来变频器数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵机组）进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪水压传感器送来的模拟量信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
2、控制流程
首先启动1号水泵电机工作在调速状态。当变频器运行频率到达上限时，并稳定运行后，若此时管网压力低于水压设定值，则增加2号水泵。在PLC的逻辑控制下将1号水泵电机与变频器连接的电磁开关断开，1号水泵电机切换到工频运行，同时变频器与2号水泵电机连接，使2号水泵电机工作在调速状态。当供水压力大于设定值时，则需进入减泵过程。此时变频器输出频率降低，水泵电机速度下降，当变频器的输出频率达到下限，并稳定运行一段时间后，把变频器控制的水泵停机。如果此时两台水泵均在运行，则减2号水泵，并使1号水泵电机工作在调速状态。否则1号水泵停机。如果管网压力仍大于设定值，则停机。
二、硬件系统设计
（一）主电路
主电路由空气开关QF控制；变频器电源由断路器KM0控制；交流接触器KM1、KM3控制1号泵、2号泵变频运行，KM2控制1号泵工频运行，FR1、FR2分别为两台水泵电机过载保护用的热继电器；FU为变频器控制电源的熔断器。
（二）控制电路主要功能
1、手动控制，当对水泵进行安装检修调试或压力传感器等不能正常工作时，可用手动控制方式控制水泵的起停。
2、自动控制，在系统正常时，该控制方式能根据用水量的变化，自动完成两台水泵的软起动、停止、切换的全部操作。
3、水位保护，为防止在用户水量很小时（例如晚间），蓄水池内的水位过高而溢出水池，系统通过安装在蓄水池上部的浮子式液位开关液位检测装置，将蓄水池高水位信号传递给PLC控制，发出声光报警信号。
4、过载保护，当变频器过载时，变频器自动停止输出，以保护变频器及水泵，并发出停止输出信号至PLC控制，发出报警信号。
5、过电压保护，当电网出现电压过高，装设有主电路上的过电压保护装置（型号：DJ-131）输出过压信号至PLC控制，PLC发出输出停止信号跳电源断路器，以保护变频器及水泵。
三、PLC程序设计
（一）故障报警
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、储水池水位过高造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，系统判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
当电网出现过电压时，过电压继电器常开接点闭合，将信号出时输出到PLC及信号控制回路，信号灯亮发出报警；当220V AC/24V DC压变模块C1出现断线故障时，压变模块C1常开接点断开，信号灯灵。
PLC控制根据输入点信号I0.5过电压继电器判断主电源是否过压、I0.7变频器工作状态是否正常、I1.4变频器运行是否过载，确定是否投入电源断路器，以保护变频器及水泵，并根据故障相应报警。
四、总结
本系统中，PLC完成数据的采集和对变频器、电机等设备的控制任务。PLC编程软件采用模块化的程序设计方法，大量采用代码重用，减少软件的开发和维护。系统利用对PLC软件的设计，实现变频器的故障诊断和电机的控制。实现恒压供水保证了供水的质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面系统实现声、光报警，保障供水的可靠性和安全性，保障设备的安全。
（作者单位：南昌市安义县城市防洪工程管理站）