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1、http:/-1-中国中国科技论文在线科技论文在线基于基于 PLC 的小区恒压供水系统的设计的小区恒压供水系统的设计 张小栋 中国矿业大学信电学院，江苏徐州（221008）E-mail： 摘摘 要：要：针对当前小区供水系统普遍采用水泵高位水箱供水和气压罐供水存在投资大、占用面积大和水泵频繁启动的问题，本文提出了一种基于 PLC、变频器、远传压力表、水泵机组、计算机和通信模块组成的变频恒压供水系统。该系统具有自动变频运行、自动工频运行、远程手动控制和现场控制等功能，使供水系统的可靠性冗余度、故障处理能力和监控能力得到了提高。Matlab 仿真分析验证了基于 PLC 的小区恒压供水设计系统的可行性
2、。此外，这一系统比传统的小区供水系统具有更好的节能性、对管网冲击小和可靠性高的优点。关键词：关键词：PLC；变频器；PID 中图分类号：TP273 中图分类号：TP273 1引言引言 随着我国城市高层建筑增多，当前普遍采用的水泵高位水箱供水和气压罐供水存在基建投资大、占地面积大、维护不方便、水泵电机启动电流大、能耗大和可靠性低等问题。供水系统的可靠性、稳定性、经济节能性已经不能满足当前城市居民的需求12。为了提高供水的经济性、稳定性和可靠性，一些研究者提出了基于单片机的恒压供水系统及其改进系统3,4,5。具体实现为：单片机将实际检测到的水压值与设定的水压值形成的偏差按PID或模糊控制规律运算后
3、，输出的电流信号控制变频器的输出频率，从而实现了对水泵转速的控制，使供水量与用水量一致。基于单片机的供水系统尽管具有成本低、易编程、自动化程度高等的优点，但是它存在着故障排除慢、系统运行中的一些参数无法监控与记录、供水的可靠性方面比起PLC的供水方式要差等缺点，不适用于恶劣的工业环境。另一些研究者也对基于PLC的恒压供水系统做了一些研究和改进6-12，用PLC作为控制器按PID或模糊控制规律对变频器的输出频率控制，实现了对水泵转速的控制。然而这些研究仅局限于对PID或模糊控制器参数的设置和PID子程序的编写，而未针对实际存在的如欠水位故障、变频器故障和电机故障时供水方式的设计。为了进一步提高小
4、区供水系统的可靠性、实现对供水系统的监控和增强供水系统故障处理能力，本文在给出供水系统自动变频运行方式和自动工频运行方式的基础上，增加了远程手动控制运行方式和现场手动运行方式的设计，使小区供水系统的可靠性和故障处理能力得到了一定的提高。同时，本文通过Matlab建模仿真分析了此设计方案的可行性。2.小区恒压供水小区恒压供水 在高层建筑中，一个好的供水系统基本上能够满足居民正常的供水质量。由于重力和高度的影响，同一幢建筑中不同的楼层水压是不同的。在早上和晚上用水量高峰时，往往靠近楼顶的居民有很小的供水量，而靠近地面的用户却不受影响。为了满足用户每天在不同时间段内的用水量，传统的解决途径是通过改变
5、管网的阀门开度来改变供水量，而水泵的扬程并不改变。如果阀门的开度在一定的时间内未能改变，将会产生欠压或过压现象，由此会不可避免的产生水锤作用。如果水锤作用严重，将会带来管子的破裂或管子的干瘪。供水的安全性不能得到保证。为了保证供水能力和用水需求的平衡，需要以水的流量作为控制对象，对其实现闭环控http:/-2-中国中国科技论文在线科技论文在线制。而流量的大小又取决于扬程，实际中扬程难以进行具体测量和控制。在动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，若供水能力大于用水需求，则压力上升；若供水能力小于用水需求，则压力下降；若供水能力等于用水需求，则压力不变。压力的变化反映了供水能力与用水需求之
6、间的矛盾，所以我们把压力作为基本的控制对象来实现对流量的调节。因此，实现恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，从而满足了用户所需的用水量需求。为了实现小区恒压供水，可以通过改变水泵的转速来改变供水能力，由于转速与水泵定子边的频率成正比，改变水泵的定子频率，就可以改变水泵的转速。而水泵定子边的频率可以通过恒压恒频变频器来得到，所以通过改变变频器的输入电压，就可以对水泵转速的控制。因此，将压力传感器测得压力信号与给定的压力信号比较后通过PID参数调节后作为变频器的输入电压，就可以实现对压力进行闭环控制，从而实现恒压供水。当用户需求发生变化时，供水系统通过对水泵的转速进行调节，满足了用户用
7、水量的需求。图1给出了小区恒压供水系统的基本原理图。图 1 小区恒压供水系统基本原理 3系统结构与功能系统结构与功能 通过对某住宅小区楼层高度，小区占地面积和小区流动人口的考察，确定小区的供水需求：流量为 0-500hm/3,扬程为 60m。为满足供水需求，供水系统需要三台主泵（55KW）1#、2#和 3#（如图 2）并联供水和一台辅泵（5.5KW）4#（如图 2）辅助供水13。为实现恒压供水，供水系统在全流量范围内通过变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，根据用水量大小调节投入水泵台数，使供水压力始终保持为设定值。当处于用水低谷或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常
8、的泄漏和水压。图 2 给出了某小区变频恒压供水系统的总体构成。系统选用普通压力表（0-1Mpa）和数显仪实现压力的检测和显示，压力变送器将测得的压力信号转化为4-20mA的电流信号并输入到普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX的内置PID模块中进行调节，输出电流经放大后作为变频器的输入电压（0-5V）输入到变频器通过变频实现对水泵转速的控制，从而实现对供水量的调节。变频器的变频范围为20HZ-50HZ。为实现供水需求，可编程控制器（PLC）FX2N-48MR-001（24I/24O）通过对压力上下限信号频率上下限信号的检测，实现三个主泵变频循环的可靠切换、变频泵的连续调
9、节和工频泵的分级调节。同时蓄水池液位传感器将检测到得液位上下限信号输入到PLC中，PLC通过对进水管电动阀的调节来控制进水量。http:/-3-中国中国科技论文在线科技论文在线图 2 系统构成 同时在供水系统中为了减少对水泵机组、管道所产生的水锤，水泵机组配置了电动蝶阀14，如图2所示。为对供水系统实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块RS232，工作人员能够通过上位机来对系统的运行状态进行监测和远程手动控制。当系统出现故障时供水系统通过电话拨号系统自动拨号通知工作人员，使供水系统能得到尽快的维修。由上述可知，为满足小区居民供水的需求，实现恒压供水，系统需自动变频恒压供水运行；为提
10、高供水的可靠性的冗余度，系统需自动工频运行；为提高系统实现对供水系统状态的监控，系统需远程手动控制运行；为了增强系统故障的处理能力，系统需现场手动控制运行。自动变频恒压运行方式是指在 PLC 控制下，通过 PID 调节、变频调速实现自动恒压供水，是根据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的 PLC 控制程序。自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统根据水压大小自动调节工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊情况下的一种备用供水方案，提高了系统可靠性的冗余度。远程手动控制是指在控制室，通过计算机和 PLC 远程通信操控水泵的运行，是一种辅助供水方案。现场
11、手动控制运行是指通过现场按钮人工控制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气控制线路设计来实现，PLC 不参与，主要用于检修、调试及 PLC 故障时的运行。同时系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出故障的水泵，将其退出系统运行，并报警提示。4.PLC 控制程序的设计控制程序的设计 为了实现小区供水系统所需的各种功能，需对小区供水系统进行 PLC 编程。PLC 程序设计是通过接收各种外部开关量信号的输入判断当前的供水状态，输出信号去控制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警15。为了编程和调试方便，PLC 程序设计采用模块化的设计方法
12、。设计的主要模块包括远程手动控制模块、自动变频恒压运行模块和故障处理模块。供水系统的主流程图如图 3 所示。http:/-4-中国中国科技论文在线科技论文在线图 3 PLC 控制程序主流程图 系统初始化模块 当供水系统开始工作时，需要对整个系统进行初始化。在初始化时系统调用 M8002 对供水系统各个部分的当前工作状态检测，如有故障报警通知工作人员。然后对存储在数据存储器中的液位值、水压值初始化以及对通信专用数据寄存器的通信参数值设置，同时置标志位。远程手动控制通信模块 初始化模块中设置好的 PLC 和上位机的通信协议后，在 PLC 程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动控制命令置位时，PL
13、C 程序自动转入远程手动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置位时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入自动恒压变频运行方式。故障处理模块14 当变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警时，故障处理模块做出相应的故障处理。(1).欠水位故障 当出现水位故障时停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入初始化状态。(2).变频器故障 变频器出现故障时，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除顺序和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机
14、改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID 调节，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。(3).电机故障 热继电器、空气开关一般用于电机保护，二者的动作往往表明了电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行，此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。自动变频运行模块14 http:/-5-中国中国科技论文在线科技论文在线自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能。图 4 给出了系统各供水状态的转化图。图 4 供水状态转化图 自动变频方式运行时，首先起动辅助稳压泵工频
15、运行供水，当用水量大，超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时 1 分钟 PLC 通过变频器启动 1#主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在 1#主水泵供水过程中，变频器根据水压的变化通过 PID 调节器调整 1#主水泵的转速来控制流量，维持水压。若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率 50HZ 时时，仍达不到设定压力，延时 1 分钟，由 PLC 给出控制信号，将 1#主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对 2#号主水泵软启动。系统工作于 1#工频、2#变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程继续增开水泵台数直到满足
16、水压要求。当用水量减少时，变频器通过 PID 调节器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率 20HZ 时，水压仍过高，延时 1 分钟，按“先起先停”的原则16，由 PLC给出控制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时 PID 调节器将根据新的水压偏差自动升高变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量减少，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时 5分钟后，关闭变频器运行，启动辅助泵维持供水。自动变频运行模块包括辅助泵/主泵运行转换模块、增加主泵转化 模块、减少主泵转化模块和 PID 控制模块。自动变频运行的流程图如
17、图 5 所示。图 5 自动变频恒压运行流程图 辅助泵/主泵运行转换模块 在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时 5 分钟，关闭变http:/-6-中国中国科技论文在线科技论文在线频器运行，启动辅助泵的过程。即由状态 S20(或 S21,S22)转入 SO 的过程。PLC 置输出继电器为 0。在辅助泵供水时，水压达到压力下限时，延时 1 分钟，关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态 S0 转入 S20(或 S21,S22)的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则16来操作。增加主泵转化模块 是将当前主泵由变频转工
18、频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时 1 分钟，PLC 给出控制信号，切断变频器输出，将主水泵与变频器断开，将其转为工频恒速运行，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。减少主泵的状态转换模块。减少主泵转化模块 减少主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。PID 控制模块 PID 控制模块是将测得的压力和设定的压力的差值通过设定好参数的 PID 控制模块，通过调节转速使供水压力维持恒定。5.系统仿真系统仿真 为了对基于 PLC 恒压供水系统进行验证，本节首
19、先给出了构成供水系统的压力传感器、PID 调节器、变频器、水泵等功能模块的数学模型，然后通过 Matlab 中 simulink 对其进行仿真分析。5.1 数学建模数学建模 异步电动机、变频器模型 将异步电动机、变频器的数学模型简化成单变量线性系统，可以用交-直-交电流逆变器异步电动机双闭环调速系统的单输入单输出模型来代替17，模型如图 6 所示。图 6 异步电动机、变频器单输入单输出模型 其中，)(sWASR和)(sWACR是转速调节器和电流调节器的传递函数；和为转速和电流反馈系数；sK和sT为变流装置的放大系数和延迟时间，)(0sUd为直流侧电源空载电压；lT为电枢回路电磁时间常数（s）R
20、LTl/=；R、L 分别为直流环节负载等效电阻和电感；mT为电力拖动系统机电时间常数（s）,memCCRGDT375/2=；eC为电动势常数，mC为额定励磁下电动机的转矩系数。调节器的数学模型 调节器模型是由设定值输入滤波、压力反馈滤波和 PID 调节器组成，如图 7 所示。http:/-7-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 7 调节器的模型 水泵的数学模型 由于水泵的输出压力与水泵的转速的三次方成正比。即32121)/(/nnPP=如果一台水泵的额定压力是已知的，设1P是额定转速1n时的输出压力，那么对任意转速时的压力为：31212)/(*nnPP=，仿真时可以通过函数模块 fcu 来实
21、现。压力变送器的数学模型 压力变送器是将出水管网的压力转化为 4-20mA 的电流信号，通过电流信号来控制变频器的输出频率。仿真时用 1-5V 的电压信号来代替压力。5.2 系统仿真试验与结果分析系统仿真试验与结果分析 当压力设定值为 0.35Mpa 时，计算出各个模块的参数，将异步电动机、变频器、远传压力表和水泵的数学模型按照小区供水系统的原理图连接并在 Matlab simulink 环境下进行仿真，Matlab simulink 的系统仿真图如图 8 所示，通过 Matlab 中 simulink 模块对建立的模型进行仿真，图 8 供水系统的仿真模型 通过图 9 的仿真结果可知，供水系统
22、在 0-1.2s 有一个滞后时间，这与供水系统是一个惯性系统是相吻合的，但是由于变频器对输入的模拟信号采样和 A/D 转化，运算需要一定的时间，所以与实际波形的相比，实际的波形会比试验波形滞后时间更长。同时由于在辅泵换主泵、增泵和减泵过程中有延时，所以与实际波形没有试验的波形那样平滑。由于试验建立的模型是系统稳态的模型，所以没有出现实际波形在过渡过程中产生的超调。在 1.2s 以后供水系统压力基本稳定在在设定值附近范围变化，所以实际的系统可以达到压力恒定的目的。试验仿真结果表明该设计是可行的。Un*(s)Ud0(s)Un(s)Ui*(s)Ui(s)E(s)Idl(s)10.002s+110.0
23、07s+1Transfer Fcn90.0950.007s+1Transfer Fcn80.070.01s+1Transfer Fcn70.50.18sTransfer Fcn60.050.002s+1Transfer Fcn520.03s+1400.0017s+112.70.7s+1Transfer Fcn10Step1StepScopeSaturation2Saturation1Saturation1/0.132Gain(u/1410)3*500000FcnIn1Out1ASRIn1Out1ACRhttp:/-8-中国中国科技论文在线科技论文在线 图 9 给定压力为 0.35Mpa 的试验
24、结果 5结论结论 本文通过基于 PLC 的恒压供水系统的闭环设计，实现了小区的恒压供水。该系统针对实际管网水压的变化，通过调节水泵的转速来实现恒压供水，从而实现了供水量与用水量的平衡。实验仿真结果表明本文的设计是可行的。这种供水系统具有较小的投资和开发周期,供水质量提高,节能效果显著。供水系统中水泵电机低速运行和定时轮休,有利于延长设备的使用寿命。此外这种供水系统采用 PLC 变频恒压供水，使高楼、生活小区供水的稳定性、可靠性和抗干扰能力增强，而且能使供水系统运行于最佳工作状态,是一种取代传统小区供水方式的新途径。参考文献 参考文献 1 宋序彤.我国城市供水发展有关问题分析J.城镇供水,200
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31、 Technology,Xuzhou,Jiangsu(221008)Abstract In the paper,considering the disadvantages and problems of having a high investment,space occupancy and frequently start-up of pump caused by water supply mode of the high water tank and pressure tank system,a constant pressure water supply system based on
32、PLC,Frequency Converter,tele-manometere,pumps,computer and communication module are designed and described.In order to improve the reliability and ability of monitoring and handing fault,this system can run not only in the mode of conversed frequency and power frequency,but also can run in the mode
33、of manual control in long-distance and local.The Matlab emulator validate the feasibility of the designed system.Besides,this system has great advance in saving energy,reducing the impulsion to the pipeline network and improving reliability than the traditional water supply system.Keywords:PLC;Frequency conversion;PID