1.恒壓供水系統簡介

隨著變頻技術的發展和人們對生活飲用水品質要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統以其環保、節能和高品質的供水質量等特點，廣泛應用于多層住宅小區及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統可以實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。目前變頻恒壓供水系統向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發、智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

1.1變頻恒壓控制原理

在供水系統中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節閥門開度來調節流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。

2．控制方案的選擇和確定

1.帶PID回路調節器或可編程序控制器(PLC)的控制方式

該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現電機的無級調速，從而使管網水壓連續變化。傳感器的任務是檢測管網水壓，壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉速控制信號。

由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。

2．變頻器內部做PID計算的控制方式

新型變頻器將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。

考慮以上兩種方案后，此次設計采用第二種方案。如圖2-1所示。

圖2-1恒壓供水系統方框圖

3、變頻恒壓供水系統構成及工作原理

3.1系統的構成

圖3-1系統原理圖

如圖3-1所示，整個系統由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節水量之用，三臺泵協調工作以滿足供水需要；變頻供水系統中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號)或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系統的核心，通過改變電機的頻率實現電機的無極調速、無波動穩壓的效果和各項功能。

從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、以及報警裝置等部分組成。

3.2工藝概述

恒壓供水控制系統的核心概念就是通過變頻器控制水泵的運行頻率，達到節能的效果，同時系統還加入了市政管網保護功能、水泵保護功能以及故障處理等功能。為了節約成本，目前人們大多采用一個變頻器控制多個水泵變頻運行的方式，也就是我們常說的一拖二、一拖三或一拖四等控制系統。采用這種方式，變頻器輪流控制各個水泵的運行。

水泵的運行方式有兩種，一種是變頻運行，一種是工頻運行。水泵的運行方式由PLC根據用戶用水量多少自動控制。系統啟動后，水泵首先變頻運行，當用水量增加時，當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。用水量減小，變頻器頻率達到頻率的下限值，并保持一段時間，則PLC會將工頻水泵退出運行。水泵的投切過程如此循環反復。

在用水量很少，或者沒有用水時，為了節能與延長水泵的使用壽命，變頻器可以進入休眠狀態。當用水量增加時，水泵會自動從休眠狀態中喚醒。當一臺水泵長時間運行時，為了使各個水泵均衡運行，系統會自動選擇運行時間最短的水泵運行。當有水泵出現故障時，系統會自動跳過該水泵，不會影響其他水泵的投切過程。

圖3-2恒壓供水設備實物圖

3.3控制部分的構成

主要產品功能規格:

主控制器：FBs-24MAR2-AC

人機界面：UNICON7寸屏

變頻器：永宏N1系列的變頻器。

3.4系統結構圖

圖3-3系統結構圖

圖3-4系統控制電路接線圖

4.系統控制程序

4.1控制工藝流程圖

PLC在系統中的作用是控制交流接觸器組進行工頻—變頻的切換和水泵工作數量的調整。工作流程如圖4-1所示。

圖4-1控制流程圖

系統起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據自己的需要操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果是自動運行模式，則系統根據程序及相關的輸入信號執行相應的操作。

手動模式主要是解決系統出錯或器件出問題，另外本系統為了防止PLC故障而導致的系統停機，手動的控制沒有進入PLC程序中，這樣更加有利于系統的溫度性。在自動運行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執行增泵程序，增加水泵的工作數量。如果PLC接到頻率下限信號，則執行減泵程序，減少水泵的工作數量。沒接到信號就保持現有的運行狀態。

4.2手動控制模式

圖4-2手動控制接線圖

如圖4-2所示，如果通過外部的按鈕切換到手動，PLC就斷電了，通過SB1-SB3分別對應1-3號水泵開啟工頻運行，這樣就可以防止PLC故障而導致的系統癱瘓，更加增強了系統的應對突發事故的能力。

4.3自動控制模式

4.3.1變頻泵斷電切換

圖4-3判斷泵工作狀態

通過以上程序可以實現每次停機或者停電后再次運行時，可以切換到下一臺泵工作，通過PLC內部的斷電保存的寄存器可以先把斷電前工作的變頻泵的狀態保存，下次開機直接跳轉到下一臺變頻泵工作了。

4.3.2定時換泵和加泵流程

圖4-4換泵和加泵程序

工作時間每分鐘計數1下，到達了設定的換泵時間后或者是該泵故障切換到下一臺變頻泵工作。當加泵信號超過加泵延時時間后，進行倒泵操作，該該變頻泵切換到工頻，啟動下一臺水泵進入變頻工作。

4.3.3減泵流程

圖4-5減泵工作部分程序

當變頻器的頻率達到下限值，并且延時一定時間后，要把工作最久的工頻水泵關閉，如上圖所示，此時把工頻泵1關閉，只剩下2號泵工頻運行和3號泵變頻運行，也就是跳轉到M211流程，如圖4-6。

圖4-6 二號泵工頻和三號泵變頻運行

4.4觸摸屏相關程序

圖4-7觸摸屏操作界面

觸摸屏的相關操作頁面包括水泵的工作狀態指示，變頻器的相關參數和壓力傳感器的讀數都是觸摸屏通過MODBUS協議直接同變頻器通訊讀取的。除了操作頁面還有壓力動態顯示頁面，操作說明頁面等。

5.系統的特點

可靠性是恒壓供水系統的關鍵。臺灣永宏電機，有20多年做PLC的歷史，其生產的PLC有提供5年的質保，這一點是一般PLC所無法比擬的，也是由于其穩定性和高性價比的特點廣受業界好評。

并且永宏PLC的編程軟件是基于中國人的編程習慣自主研發的，可以進行在線調試和離線調試，有強大的視圖功能，可以大大的降低編程調試的周期。另外靈活的編程方式，可以給未來系統的升級帶來極大的方便。

6.結束語

與普通的供水模式相比，恒壓供水系統可以節電50%以上。一般應用在生活用水的二次增壓，并且工作起來對市政管網的給水壓力不產生壓降，這就需要到變頻調速技術和智能控制技術等多種技術來實現。

FATEK的FBS系列的PLC具有穩定的硬件平臺、強大的數據處理能力和便捷的編程語言，在恒壓供水設備中越來越多的應用了。

參考文獻：

[1]永宏可編程控制器使用手冊I臺灣永宏電機股份有限公司

[2]永宏可編程控制器使用手冊II.臺灣永宏電機股份有限公司

[3]永宏PLC編程軟件使用手冊.臺灣永宏電機股份有限公司

[4]劉雍，葛立福PLC在無負壓供水控制系統中的應用[J].PLC&FA，2012

[5]唐小猛無負壓供水設備技術分析[J].廣州大學學報，2006.

作者簡介：

劉如晶(1986--),畢業于福建工程學院電子信息與電氣工程系

主要從事永宏PLC技術支持與行業應用工作

聯系方式：18811047960

Email:liu.rujing@fatek.com.cn