无级变频调速在恒压供水系统中的应用

金昊

摘要：本文介绍了用PLC进行逻辑控制，变频器调节压力的变频调速供水系统。由PLC控制变频与工频切换，再经过PID运算，从而实现自动调节恒压供水。实验运行表明，该供水系统有着结构简单，运行可靠，恒压稳定等优点。

关键词： PLC；变频器；恒压供水；PID

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0241-03

在当今社会，随着人们生活质量的提高，人们对住宅的供水质量和供水可靠性要求不断提高，利用先进的自动化技术设计出符合当今社会用水要求的恒压供水系统成为必然趋势。本设计主要针对日常居民用水。控制系统由变频器，PLC和PID调节器组成，用以调节水泵的出水流量。电动机泵组由四台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水出口流量的压力来控制变频器电动机泵组之间的切换，从而使系统运行在设定的合理范围，从而保证供水水压。

1概述

20世纪90年代前，我国的住宅小区和商住楼一般是低层建筑，其供水方式一般采用楼顶水箱的供水方式，由楼底水泵将用水打到楼顶水箱，水箱中的水利用重力将水输送到各层用户中。

这一供水方式有安装简单、成本低廉的优势，但是随着社会的进步和城市的建设暴露出越来越多的缺点：

第一、随着科学技术和社会经济的发展，高层建筑已成为现代城市的标志。高楼层的供水并不是把水直接打到顶楼水箱那么简单的，因为如果为了能将水打到三四十层楼上的水箱而将水压提升过高，水管的压力会过大而承受不住，因此旧式的供水系统不适合高层建筑使用

第二、楼底的水泵需要安排专门的人来控制水泵，水用完了开启水泵，水满了关闭，这样既麻烦也浪费人力，后来时间继电器被拿来来控制水泵的启停，可是季节变化和时间变化后，继电器的时间设置就要重新调整，其效果也不尽如人意。

第三、楼顶设置水箱，会造成楼内生活用水的二次污染。因水箱长期不能清洗，因此长期积累的水垢以及密封环境中滋生的细菌，使得即便是较为清洁的自来水进入水箱后也会受到污染，而这是设置水箱供水不可避免的缺陷。

第四、夏季和冬季，住户用水量明显的不同。冬季住户用水少，水压过高容易造成水管破裂；夏季住户用水多，水压过低造成住在高层的住户没水使用或流出水量很少。

基于以上四点，由于变频器能对电机进行平滑调速而且不改变电机固有的机械特性，从而完美的应用在了水泵上。再加上变频器的软启动特征，从而使恒压变频供水领域进入了一个全新的阶段。

90年代后期，多数住房取消了原有的水箱供水。取而代之的，就是我们称为恒压供水的区域供水系统。

上图是供水系统前端构成。供水管网的汲水口位于水源中，当电机带动泵浦的叶轮旋转，水就被从水源中汲入管道中，并从另一端出水口被送往千家万户。在管道上分布着压力表和传感器等检测仪表、器件，用来对管道内部的水压进行监控，同时检测结果是送到变频器内部的。再由变频器对反馈回来的信号运算后来调节电机的转速。

使用变频器对供水管网动态控制的优点：

（1）节能：水泵的运行转速可以随所需水量的变化而变化。

（2）克服了过去老式供水系统的弊端，改为按需供水，而不是定量供水。

（3）节约了人工，可以实现无人值守。

（4）变频器与PLC配合使用，具备参数设定方便灵活、保护功能完善、和定时唤醒等优点。

2可编程控制器PLC

PLC模块选择：IMATIC S7-200属于西门子小型PLC系列产品，是整体式PLC。使用于各领域中的检测，监测及控制的自动化应用。S7-200系列有以下特点：极高的可靠性；极丰富的指令集；易于掌握；便捷的操作；丰富的内置集成功能；实时特性；强大的通信能力；丰富的扩展模块。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，还是在连成网络时皆能实现复杂控制功能。S-200系列具有极高的性能价格比。因此，选择选用S7-200CN。

3 西门子MM430_风机水泵负载专用变频器

电力负载中风机和泵类负载的用电量约占总用电量的60%～70%。因此风机和泵类的节能问题就显得尤为重要，西门子公司根据不同应用环境和应用特点推出专用型变频器。

MicroMaster430 变频器的设计具有高效率和准确控制、安装灵活等特点。它除了具有历代变频器的特点外，还同时具有用于泵类的软件和硬件特性，特别适合用于风机和泵的控制，使用此变频器可以节约能源，最大程度上降低噪声。

4 变频器参数设定

在恒压供水系统中，变频器是控制电机转速使水压保持恒定的关键。实际应用中，变频器的参数设定包含两个部分，一个部分是对于电机的变频调速，另一个部分就是使用内置的PID控制器实现对电机速度的闭环控制。

4.1 标准变频调速参数设定步骤

由于本设计中使用1变频器拖4泵的传动结构，并且每台水泵都是从频率为零开始启动，直到50HZ才切换到工频供电，因此每台水泵电机的参数设置完全一样。

4.2变频器的电机PID控制

通过对MM430变频器内置的PID控制器进行参数设置，可以根据现场采集到的压力数据动态的对电机转速进行调节，进而改变管网内部的水压，例如下图所示

5 PLC对系统的控制

本系统中，软件部分包含西门子PLC与MM430的通信和数据交换，以及PLC对8个交流接触器的控制。

5.1 PLC与MM430的数据交换

PLC与MM430变频器的连接可以采取USS的总线通信，因为PLC采用西门子的S7-200CN，变频器也是西门子的MM430，因此兼容性没有问题。

使用USS所带来的好处如下：

● 开放的，定义透明的系统。

● 在工业应用中证明效果很好。

● 减少了现场布线的数量；便于（不用更改布线）重新编程，监测和控制。

● 速度快，可达 12Mbaud。

● 可以由一个主站或多个主站进行操作。

● 通讯方式可以是点对点或广播方式。

● 有支持和开发软件供使用

在本设计中采取了采用西门子公司提供的USS协议，来对S7-200和MM430进行连接。

下图为电气控制图：

6 结束语

本设计给出了一个基本的水厂变频恒压供水系统，从工艺规格上来说达到了设计要求，基本能够满足水厂供水的需求。但是本设计当中也存在一些缺陷，这些缺陷在工艺规格上并没有具体要求，实际中确很容易带来系统运行的问题，例如：

1）当变频器控制电机从变频调速切换成为工频运行时，电机速度会有短暂的降低，直接导致管网的压力下降，而且这种压力的下降随着管网规模越大越趋向明显，因此单纯依靠变频调速难以解决。

2）若是大规模供水的场合，PLC和变频器的连接采取USS协议连接就非常不够，因为管网的压力数据采集点将会非常多，此时可以考率使用西门子公司提出的两层自动化网络，控制层采取PROFIBUS作为分散式控制和通信，底层数据的采集可以采用AS-interface，直接挂接压力变送器。

3）本设计中的供水系统功能上来说仍不完善，例如没有对消防泵的控制，没有设置分时段压力检测和调节泵机转速，也没有设置休眠和休眠唤醒。

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