高层建筑压力补偿供水控制系统设计＊

黄泽明，翁发禄，贾晶涛，曾庆红，刘 帅

（江西理工大学，江西 赣州 341000）

1 引言

高层建筑大大缓解了城市的住房压力，但是一系列的现实问题也不断出现，如供水问题就是高层建筑的常见问题之一。高层供水不仅要考虑水压，还要考虑二次供水的水质问题。同时供水能耗在当下绿色经济时代也是高层建筑供水需要考虑的问题之一。如何在二次供水中保证水压、水质，同时又高效节能是当下高层供水研究的热点之一。虽然目前中国的高层供水系统已经具有的一定的规模，泵机组数量大、种类样式多，但是与国外仍存在着一定的差异。这些差异体现在工程标准、技术水平、经济效益还有高效环保等方面。本论文主要根据高层建筑供水需求，通过对变频恒压供水系统的分析，设计一套以PLC 为主控设备，控制变频器带动水泵工作，实现压力补偿供水的恒压供水控制。本文选择S7-300 系列的PLC 为控制中心，通过PLC 调用PID 模块实现变频器控制水泵运行，完成高层建筑的恒压供水。除此之外。同时，通过系统仿真实现了供水系统PID 参数的调节，验证了设计的有效性。

2 系统总体设计

供水控制系统由控制器、变频器、传感器和水泵机组这几个主要部分构成。主要原理是通过压力传感器检测实际的压力值，与控制器设定水压值进行比较，通过控制器内部程序及变频器自带控制程序，实现变频器输出频率的调节，进而实现对水泵机组供水水压的调节，使管网水压恒定，满足供水需求。同时有相应的上位机进行实时监测。作为供水系统的控制器一般有供水基板、单片机和PLC 控制这几种方案。本文选择西门子S7-300PLC 作为控制器，实现系统控制。

压力补偿供水控制系统是一个闭环控制系统，以水泵及变频器为执行机构，供水压力传感器为检测装置。在控制系统中，压力传感器检测实际的供水网络中的压力值，并将其转化为4～20 mA 的电流信号，传输给控制器的模拟量输入模块。控制器接收到这一信号后，将其转化为数值信号，并与设定压力值进行比较。控制器根据比较结果调用西门子S7-300PLC 的内部程序FB41 进行PID 调节，并将PID 调节值通过模拟量输出模块传输给变频器。变频器接收到控制信号后输出一定频率的电信号控制电机运行，实现水泵供水水压控制，达到恒压供水。压力补偿供水控制系统原理框如图1 所示。

3 硬件设计

供水系统核心是控制部分，本文采用西门子S7-300PLC作为控制中心，配备数字量输入输出模块及模拟量输入输出模块。模拟量输入模块接收来自压力传感器4～20 mA 的标准电流信号，并将其转换成数字信号，通过CPU 内部运算得到控制信号，通过模拟量输出模块将数字量转换成4～20 mA 电流信号控制变频器改变输出电源的频率，实现水泵的变频调速。此外，CPU 还需接收水位传感器的液位信号以及变频器的故障信号，并与触摸屏相连实现人机交互。CPU通过数字量输出模块控制开关及报警器等。

4 软件设计

本文基于Step7 软件实现控制系统的编程，基于wincc进行人机交互界面设计。通过系统仿真模块完成硬、软件仿真调试。供水系统压力补偿控制的流程如图2 所示。

图2 压力补偿控制流程图

经过初始化后，首先进行水池水位的判断，当水位低于下限时开启进水阀门，当水位高于上限时关闭进水阀门。然后检测出水口水压，系统根据出水口水压控制水泵的启停。当水压偏低时，系统变频启动1 号泵。当1 号泵达到工频，水位仍偏低时，将1 号泵切换至工频运行，然后变频启动2号泵。当2 号泵达到工频，水位仍偏低时，将2 号泵切换至工频运行，然后变频启动3 号泵。当3 号泵频率降低至10 Hz以内水压仍偏高时，将1 号泵切换至变频运行，并在1 号泵降频的同时提高3 号泵的频率直至工频。当1 号泵降至停机后，如果水压仍偏高，则将2 号泵切换至变频状态。当2 号泵降至停机后，如果水压仍偏高，则将3 号泵切换至变频状态。如此往复，实现供水水压控制。

5 总结

本文基于西门子S7-300PLC 实现了高层建筑压力补偿供水控制系统设计。系统通过水位传感器实现对水池水位的检测，并通过调节进水阀实现对水池的水位控制。同时，基于水压传感器实现对供水水压的检测。基于测得供水水压控制水泵的开启、关闭与调速实现水压的调节。本设计可实现高层建筑供水水压的调节及稳压供水。