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【摘 要】为了改变传统供水系统的劣势，提高大范围变负荷恒压供水系统的控制精度和可靠性，提出了采用多台水泵分级控制，变频调速的恒压控制策略。针对恒压供水系统具有多参数、非线性、大时滞的特点，设想一种基于PLC的恒压供水系统。该控制器能够对供水系统中的水压调节进行有效控制。
【关键词】PLC；恒压供水系统；研究
引用水是工农业生产和日常生活中的必需。随着社会的迅速发展和城乡居民生活水平的提高，对供水压力等性能指标的要求越来越高，传统的水塔等供水方式已经不能适应现代社会的需要。近年来，基于PLC的变频调速恒压供水控制技术得到了广泛的应用，它利用PLC、传感器、软启动器等来完成多台水泵分级控制，变频调速的恒压控制策略，本研究对于边远地区在饮用水使用中具有重要作用。
1 传统供水系统的劣势
目前，供水系统中的水泵大部分是采用传统的交流电动机拖动的方式，并简单的使水泵在工频下恒速的运行。在这种方式下，供水管网中由于用水量发生变化，其管网压力也会随之变化，在完全依赖水泵进行供水时，在设计时水泵容量普遍偏大，而且频繁的开、停工作使得水泵负荷突变有损设备的寿命，另外对管网产生较大的水压冲击，再者使得水能源、电能源产生浪费，不能根据水位及管网系统的需要随时调节供水量以及供水的压力。随着经济社会的快速发展，能源的需求越来越大，经济发展与能源供应的矛盾在当代社会生活中也日益严重，人们对供水质量以及供水系统可靠性、稳定性的要求也在不断的提高，水是城市发展、人民生活的生命线，而传统供水方式存在着以下问题：
1.1 供水成本高，由于用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
1.2 供水可靠性低，由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位就只能靠人来估计，而且高位水池离水泵房比较远，无法做到准时开机和停机，这样就会造成供水中断或者出现高位水池水位过高而水溢流，电能和水资源都会造成浪费，另外，如果蓄水池的水位过低时，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
1.3 水资源浪费，除了水泵不能准时停机而造成的水溢流浪费之外，人们因高峰期的供水中断，经常会打开阀门未关，造成来水以后的浪费等。
在我国大多数城镇，水厂采用的是将较远处的水源地送来的水进行处理、加压（有些高楼层居民用户、建筑还需要经过二次加压）再供给本地用户使用的一个中转站，而它们都必须要保证本地区用水的出厂管网压力稳定在一定的范围之内。但是，这些水厂的设备大多数都比较陈旧，在技术上比较落后，电能的浪费也比较大，同时由于用水量的随机变化及工程余量大而造成的“大马拉小车”现象使机泵的实际总效率很低。水厂一般都有5～7台水泵电机（容量75～160kW之间），普遍采用人工启停，并且在水泵电机启动前要先抽真空，启停过程还要与出口阀门相配合以避免管道水锤对水泵电机造成破坏，因此操作复杂、自动化程度极低，迫切需要进行技术改造，以提高水厂供水系统的管理水平。
2 恒压供水系统的优势分析
在经济社会快速发展的今天，经济的发展与能源的供应在当前社会生活中矛盾日益严重，能源的利用率越来越为人们所重视，同时人们对供水质量及供水系统可靠性和稳定性的要求也在不断的提高，因此利用先进的自动化控制技术所设计的恒压供水控制系统成为发展的必然趋势。目前，就国内而言，恒压供水技术归结起来主要有三种：
2.1 建筑电气控制技术（继电器——接触器控制系统）。水池水箱、水泵电机联合供水的控制系统，气压罐给水控制系统是目前建筑小区或单体楼房建筑广泛采用的供水系统，系统采用结构简单耐用的浮球、电接点压力表等作为水位水压传感器检测信号的变化，通过传统的继电器——接触器控制系统，控制水泵的运行，使系统水压符合额定值要求。
2.2 变频调速恒压给水控制技术。这种方式是目前广泛推广应用的供水控制技术。系统由PLC或单片机、变频调速器、压力传感器、电动机水泵及自动切换装置等组成，构成闭环控制系统。根据供水管网水压变化，通过改变拖动电动机的电源频率使电动机转速随之发生变化，并控制泵运行台数，改变水泵供水水压，达到恒压变量给水的目的。变频调速恒压给水控制技术的特点是：高效节能、压力恒定、水泵软起动、延长设备寿命、系统功能齐全等。
2.3 单元水箱-单元增压泵-单元高位水箱-各单位用水点。单元水箱、单元增压泵是一个整体，称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。但是，它的投资比较大，总费用比上两种方式增加10～20万元，这些费用假若是在用户的水电费上扣除，对于居民、学校来说将是巨大的压力，所以不可取。
基于变频调速恒压给水控制技术，为了保证供水量波动时水压的恒定，我们拟采用自适应模糊PID控制技术、利用 PLC 控制系统编程设计出在线自调整模糊控制器，以此实现全自动恒压供水的控制，这种控制方式可以根据管网压力自动调节供水流量， 既可以保證供水压力的稳定性，又节约了电能，减少了能耗。
3 基于PLC的自适应模糊PID恒压供水系统研究
当前，如何能够节能、安全、高品质的供水成为要解决的主要问题。在本研究中提出恒压供水，简而言之就是当供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式，本质在于实现水泵电动机依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动起动、停止电动机，在用水量发生变化时能够保持水压恒定。供水网出口压力值是根据用户的需求来确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的，现在随着科技技术的发展和日益成熟，利用一些先进设备、技术，比如变频器、单片机、PID调节器、PLC等器件的有机结合构成控制系统，来调节水泵的输出流量所实现的恒压供水来满足用水要求的供水系统是现在较合理的节能型供水系统。
在供水系统控制过程中存在两个特点，即大滞后性和惯性。而造成压力控制过程大滞后的主要因素是由于用户用水量以及管网铺设的长度，同时影响水压恒定的还有值班人员多年来的管理经验，而且这种管理经验所造成的误差范围是比较大的。因此，针对供水控制过程的这些特点，在本项目中把可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）应用于恒压供水控制系统中，我们采用PLC作为中心控制单元。同时，为了改善模糊控制的稳态性能，提高控制精度，增强控制系统的自适应能力，在本项目中把模糊控制和PID控制这两种控制方法结合起来，结合两者的优缺点取长补短构成具有自调整修正因子的Fuzzy-PID控制，设计出满足实际应用条件的控制算法是本项目需要解决的技术难点问题。
基于变频调速恒压供水控制，为了保证供水量波动时水压的恒定，采用自适应模糊PID控制、并利用 PLC 控制系统编程设计出在线自调整模糊控制器，以此实现全自动恒压供水控制成为本项目的主要目标和技术难点，这种控制方式可以根据管网压力自动调节供水流量，既可以保证供水压力的稳定性，同时又节约了电能，减少了水资源的浪费以及设备的能耗。
【关键词】PLC；恒压供水系统；研究
引用水是工农业生产和日常生活中的必需。随着社会的迅速发展和城乡居民生活水平的提高，对供水压力等性能指标的要求越来越高，传统的水塔等供水方式已经不能适应现代社会的需要。近年来，基于PLC的变频调速恒压供水控制技术得到了广泛的应用，它利用PLC、传感器、软启动器等来完成多台水泵分级控制，变频调速的恒压控制策略，本研究对于边远地区在饮用水使用中具有重要作用。
1 传统供水系统的劣势
目前，供水系统中的水泵大部分是采用传统的交流电动机拖动的方式，并简单的使水泵在工频下恒速的运行。在这种方式下，供水管网中由于用水量发生变化，其管网压力也会随之变化，在完全依赖水泵进行供水时，在设计时水泵容量普遍偏大，而且频繁的开、停工作使得水泵负荷突变有损设备的寿命，另外对管网产生较大的水压冲击，再者使得水能源、电能源产生浪费，不能根据水位及管网系统的需要随时调节供水量以及供水的压力。随着经济社会的快速发展，能源的需求越来越大，经济发展与能源供应的矛盾在当代社会生活中也日益严重，人们对供水质量以及供水系统可靠性、稳定性的要求也在不断的提高，水是城市发展、人民生活的生命线，而传统供水方式存在着以下问题：
1.1 供水成本高，由于用水全部单纯采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
1.2 供水可靠性低，由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位就只能靠人来估计，而且高位水池离水泵房比较远，无法做到准时开机和停机，这样就会造成供水中断或者出现高位水池水位过高而水溢流，电能和水资源都会造成浪费，另外，如果蓄水池的水位过低时，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
1.3 水资源浪费，除了水泵不能准时停机而造成的水溢流浪费之外，人们因高峰期的供水中断，经常会打开阀门未关，造成来水以后的浪费等。
在我国大多数城镇，水厂采用的是将较远处的水源地送来的水进行处理、加压（有些高楼层居民用户、建筑还需要经过二次加压）再供给本地用户使用的一个中转站，而它们都必须要保证本地区用水的出厂管网压力稳定在一定的范围之内。但是，这些水厂的设备大多数都比较陈旧，在技术上比较落后，电能的浪费也比较大，同时由于用水量的随机变化及工程余量大而造成的“大马拉小车”现象使机泵的实际总效率很低。水厂一般都有5～7台水泵电机（容量75～160kW之间），普遍采用人工启停，并且在水泵电机启动前要先抽真空，启停过程还要与出口阀门相配合以避免管道水锤对水泵电机造成破坏，因此操作复杂、自动化程度极低，迫切需要进行技术改造，以提高水厂供水系统的管理水平。
2 恒压供水系统的优势分析
在经济社会快速发展的今天，经济的发展与能源的供应在当前社会生活中矛盾日益严重，能源的利用率越来越为人们所重视，同时人们对供水质量及供水系统可靠性和稳定性的要求也在不断的提高，因此利用先进的自动化控制技术所设计的恒压供水控制系统成为发展的必然趋势。目前，就国内而言，恒压供水技术归结起来主要有三种：
2.1 建筑电气控制技术（继电器——接触器控制系统）。水池水箱、水泵电机联合供水的控制系统，气压罐给水控制系统是目前建筑小区或单体楼房建筑广泛采用的供水系统，系统采用结构简单耐用的浮球、电接点压力表等作为水位水压传感器检测信号的变化，通过传统的继电器——接触器控制系统，控制水泵的运行，使系统水压符合额定值要求。
2.2 变频调速恒压给水控制技术。这种方式是目前广泛推广应用的供水控制技术。系统由PLC或单片机、变频调速器、压力传感器、电动机水泵及自动切换装置等组成，构成闭环控制系统。根据供水管网水压变化，通过改变拖动电动机的电源频率使电动机转速随之发生变化，并控制泵运行台数，改变水泵供水水压，达到恒压变量给水的目的。变频调速恒压给水控制技术的特点是：高效节能、压力恒定、水泵软起动、延长设备寿命、系统功能齐全等。
2.3 单元水箱-单元增压泵-单元高位水箱-各单位用水点。单元水箱、单元增压泵是一个整体，称之为单元增压器。由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时启泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。但是，它的投资比较大，总费用比上两种方式增加10～20万元，这些费用假若是在用户的水电费上扣除，对于居民、学校来说将是巨大的压力，所以不可取。
基于变频调速恒压给水控制技术，为了保证供水量波动时水压的恒定，我们拟采用自适应模糊PID控制技术、利用 PLC 控制系统编程设计出在线自调整模糊控制器，以此实现全自动恒压供水的控制，这种控制方式可以根据管网压力自动调节供水流量， 既可以保證供水压力的稳定性，又节约了电能，减少了能耗。
3 基于PLC的自适应模糊PID恒压供水系统研究
当前，如何能够节能、安全、高品质的供水成为要解决的主要问题。在本研究中提出恒压供水，简而言之就是当供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式，本质在于实现水泵电动机依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动起动、停止电动机，在用水量发生变化时能够保持水压恒定。供水网出口压力值是根据用户的需求来确定的，传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的，现在随着科技技术的发展和日益成熟，利用一些先进设备、技术，比如变频器、单片机、PID调节器、PLC等器件的有机结合构成控制系统，来调节水泵的输出流量所实现的恒压供水来满足用水要求的供水系统是现在较合理的节能型供水系统。
在供水系统控制过程中存在两个特点，即大滞后性和惯性。而造成压力控制过程大滞后的主要因素是由于用户用水量以及管网铺设的长度，同时影响水压恒定的还有值班人员多年来的管理经验，而且这种管理经验所造成的误差范围是比较大的。因此，针对供水控制过程的这些特点，在本项目中把可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）应用于恒压供水控制系统中，我们采用PLC作为中心控制单元。同时，为了改善模糊控制的稳态性能，提高控制精度，增强控制系统的自适应能力，在本项目中把模糊控制和PID控制这两种控制方法结合起来，结合两者的优缺点取长补短构成具有自调整修正因子的Fuzzy-PID控制，设计出满足实际应用条件的控制算法是本项目需要解决的技术难点问题。
基于变频调速恒压供水控制，为了保证供水量波动时水压的恒定，采用自适应模糊PID控制、并利用 PLC 控制系统编程设计出在线自调整模糊控制器，以此实现全自动恒压供水控制成为本项目的主要目标和技术难点，这种控制方式可以根据管网压力自动调节供水流量，既可以保证供水压力的稳定性，同时又节约了电能，减少了水资源的浪费以及设备的能耗。