隨著人們生活質量的提高，以及對高效節能和設備使用壽命的要求的提高，這些方式都將逐漸被淘汰．因此，開發全自動的變頻調速恒壓供水系統越來越受到人們的重視和青睞。針對高層樓宇供水問題，提出了采用PLC作為中心控制單元，與變頻器、水泵電機及控制電路相結合來構成閉環壓力調節系統，根據系統狀態快速調整供水量，使系統具有節能、工作可靠、自動控制程度高、經濟易配置等優點，可在生產、生活中得到廣泛應用．

1、變頻恒壓供水系統的理論分析與方案設計

1．1、變頻恒壓供水系統的理論分析

目前，水泵電機通常由三相交流異步電動機來驅動，對水泵的調速通過對其電機轉速的調節來實現．而電機轉速的調節主要通過變頻調速裝置同時改變電壓和頻率來實現．

變頻調速系統通常是使用變頻器拖動電機來實現電動機的軟啟動和無級調速，從而使鼠籠式異步電動機獲得更高性能．在分析水泵的負載特性時，常采用下列的一組公式：

式中：n為電機轉速;M為輸出轉矩;P為輸出功率．

由式（1）可知：水泵具有平方轉矩負載特性，當用水量減少時，電機轉速降低，電機轉速的微量減小，將使輸出功率大幅下降．

1．2、變頻恒壓供水控制系統控制方案的設計

根據居民的實際用水情況，設計合理可靠的供水系統，使其在滿足用戶正常用水的同時，確保供水設施的安全運行．本設計從控制要求入手，分析系統的工作原理，選取相應設計方案，設計相應控制策略和控制流程，最后對其進行PLC的控制設計．

PLC的控制系統的主要任務是保證居民小區生活用水的可靠性．根據居民樓用水的現場實際情況，1d之中用水量會有若干個高峰期或低谷期，變頻器則根據出水口的壓力調節水泵的轉速與投切．系統的硬件部分主要包括變頻器、壓力傳感器、PLC、電氣控制柜、水泵機組和低壓電器等．

2、基于PLC的變頻恒壓供水系統的工作原理

將壓力傳感器提供的管網壓力信號，傳送給變頻器，根據傳感器的采樣值與變頻器的設定值進行比較，通過內置的PID功能進行數據處理，將處理結果作為變頻器頻率的給定輸入，控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉速，保持供水管道的壓力恒定．當用水量較少時，管網壓力將增加，壓力的變化通過PID運算后使變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降或減少運行的水泵數量，以此來減小管網壓力，保持恒壓供水．圖1為恒壓供水系統自動控制原理圖．

圖1恒壓供水系統自動控制原理圖

2．1、控制策略

該控制系統的基本控制策略是，利用PLC作為主控制器來控制變頻器對電機進行無極調速，以此達到恒壓供水的目的，從而滿足居民的正常用水需求．系統采用3臺功率為33kW的主電機根據檢測信號工作在工、變頻運行方式下，從而驅動水泵提供用水，在工作過程中要求2臺運行1臺備用．圖2為變頻恒壓供水系統主電路圖．

圖2系統主電路圖

2．2、供水工況劃分

由規模相近小區的歷史數據可知，某小區最大用水量已達到265m3/h，夏秋兩季的用水量可能會超過300m3/h．根據近幾年來的用水量情況及操作經驗，該小區的供水工況劃分情況見表1．

表1某小區供水工況劃分結果

用水量很大的情況出現在夏秋兩季，其他4種情況在4個季節都可能出現．

2．3、控制過程

在現實用水過程中，高層居民用水量是不斷變化的，所以系統應根據管網壓力的變化實時升降頻、加減泵，以此使管網壓力始終保持恒定，以保證可靠用水，又節約電能．如，當M1處于變頻運行狀態下，居民用水量增加，變頻器升頻使M1的轉速增加來維持供水壓力穩定．若用水量不斷增加，M1的變頻控制在最大輸出時仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M2，即M1工作于工頻狀態下，M2工作于變頻狀態下．若用水量仍不斷增加，M2的變頻控制在最大輸出時仍不能滿足要求，則PLC邏輯投入M3，即M2工作于工頻狀態下，M3工作于變頻狀態下．若此時用水量減少，則變頻器降頻使M3轉速降低，來降低水壓．若此時用水量仍不斷減小，當最小輸出仍造成水壓過高時，用PLC切除M3．其他過程類似．

3、變頻恒壓供水系統的變頻器的參數設計

3．1、PID控制

一個好的控制過程就需要一個好的控制器．對于恒壓供水系統，使用的是變頻器內置的PID調節器，通過對水壓的閉環控制來保證水壓恒定．圖3為恒壓供水的系統控制圖．

圖3恒壓供水的系統控制圖

當控制系統中被控對象得不到精確的數學模型，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID控制［8］．為滿足系統性能要求，必須對PID控制器的參數KP，KI，KD進行整定．文中采用經驗數據法對其進行整定．選擇KP=3．45，KI=8．02，KD=1．76作為第1組試驗參數，將系統模擬投入運行，做閉環調試．圖4為其對應的PID校正控制的階躍響應曲線．

圖4PID校正控制的階躍響應曲線

由圖4可知，系統的暫態性能指標為：Tr=1．15s，tp=2．63s，ts=15．1s，其暫態性能不滿足要求．根據圖像，適當改變參數大小，令KP=9．50．KI=8．625，KD=1．76，再做仿真．圖5是PID參數改變后校正控制的階躍響應曲線．

由圖5可知，系統的暫態性能指標為：Tr=0．784s，tp=1．92s，ts=3．86s，δ=18．3%，完全滿足要求，可以將其作為第1組參數投入運行，在實際供水過程中，再根據實際情況做適當調整，直到找到相對最佳的控制效果為止．

圖5PID參數改變后校正控制的階躍響應曲線

由此可見，將PID算法應用于恒壓供水系統中，不僅可大大提高系統的控制精度，使其動態響應和調整更加快速穩定，而且抗干擾性強，還節約成本．

3．2、變頻器的參數設定

正確的變頻器設置對系統性能的影響至關重要，表2列出了變頻器關鍵參數的典型設置值．

表2變頻器參數設置情況

4、變頻恒壓供水系統的PLC設計

PLC是按程序實現控制的．基于西門子PLC：S7－200的硬件環境，利用STEP7－MICRO/WINV3．2版編程軟件來完成編程．編譯后通過PC/PPI通信電纜把程序下到PLC，通過在RUN模式下主機循環掃描并連續執行用戶序號來實現控制任務的完成的．由系統可知，其I/O分配見表3．

表3數字量I/O分配表

主要的控制程序有：系統初始化程序、數據傳遞和處理程序、水泵電機切換程序、事故處理和報警程序等．下面重點介紹水泵電機切換程序，圖6為水泵電機投切流程圖．

圖6電機投切流程

5、結語

針對某小區水泵站的供水要求，設計了基于PLC的變頻器恒壓供水系統：采用增量式PID算法，利用變頻調速完成電機轉速的控制，實現恒壓供水系統的設計;分析了變頻恒壓供水系統原理和節能原理;研究了變頻恒壓的控制策略;設計了變頻恒壓供水控制系統的控制程序;保證了居民的用水質量，且高效節能，自動化程度高，保護功能齊全，運行穩定可靠．