现代小区节能供水设计

顾娟

摘 要：本系统介绍了一种基于旧式水塔供水的PLC控制的恒压供水系统的结构及工作原理。通过传感器与PID调节来实现闭环控制，系统采用变频调速方式自动调节水泵电机转速或加、减泵，自动完成泵组软启动及无冲击切换，使水压平稳过渡。

关键词：PLC；变频器；PID调节器

在工业生产和日常生活中，变频调速控制是很常见的，特别是在供水领域的运用已经很普遍，大到自来水厂，小到一幢住宅楼。采用恒压供水大大的提高了供水的品质，但是由于很多住宅用的供水系统仍是旧式的，在进行新系统改造时会遇到一些理论上预料不到的情况。本系统充分考虑旧设备的运行情况，对其进行改造，提高了系统的利用率。

1 系统介绍

变频恒压供水系统原理如图1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

通过安装在出水管主网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

此外，系统还设有多种保护功能，尤其是硬件/软件备用水泵功能，充分保证了水泵的及时维修和系统的正常供水。

正常情况（无泵检修）时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#。

2 工作原理

2.1 运行方式

该系统有手动和自动两种运行方式：

⑴. 手动运行

按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。

⑵. 自动运行

合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

3 泵组工作的切换

泵组的切换，开始时，1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

4 PLC控制系统

PLC选用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU226XP、DI/DO模块、AI/AO模块组成。PLC作为控制单元，是整个系统的控制核心。其主要的作用要体现以下几方面：①完成对系统各种数据的采集以及数字量与模拟量的相互转换。②完成对整个系统的逻辑控制及PID调节的运算。③将PID运算的数据结果转换成模拟信号，作为调节变频器的输出频率的控制信号。④通过通信电缆及USS4协议完成对变频器内部参数读写及控制。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。

5 变频器、传感器控制系统

5.1 利用PID调节方式

变频调速技术是一种新型的、成熟的交流电机无级调速驱动技术，它以其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在供水行业中，由于生产安全和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格要求，变频调速技术在本系统也得到了更加深入的应用。

5.2 传感器

压电示传感器是一种典型的自发电式传感器。它是某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量電测的目的。

传感器顶端的信号处理电路可将液位信号转换成4-20mA标准信号输出.磁致伸缩式液位计的测量范围由磁致伸缩线的长度决定，可以长达十几米，它可以替换差压式、电容式、超声波式、浮筒式或伺服式等传统的液位计，具有可靠的工作性能.

6 系统优势

6.1 高效节能

通过采用变频调速恒压控制，可在不同季节、全天不同时段内有效即时地调控水量，这样在用水量较低时，大大节约供水量，减少电耗。

在设定压力内跟随用水量供水，避免了传统供水方式的损耗，降低吨水消耗。

6.2 提高自动化水平

根据系统建立自动控制系统的原则“分散控制、集中管理、现场无人值守”，变频恒压供水技术的应用提高了自动控制系统的整体水平，真正作到了操作简便安全，现场无人职守，运行安全可靠。

7 结束语

在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态；减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；同时针对所用四台泵均已使用，需要定期进行检修的实际情况，增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命；压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质；变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的可靠性.

参考文献

[1] SIMENS、可编程序控制器S7-200操作手册。

[2]唐修波、变频技术及应用、北京；中国劳动社会保障出版社、2014

[3]贺玲芳、PLC控制的全自动变频恒压供水系统、西安科技学院学报、2013.9、第20卷、第3期。

[4]梁 森、自动检测与转换技术、北京；机械工业出版社、2015.1