关键词：PLC；恒压供水；变频

1  引言

传统的恒压供水方式主要是采用人工的手动操作，普遍的存在水、电浪费问题，工作的效率也差，可靠性、自动化程度都很低。目前变频调速恒压供水控制系统的研究和设计的重点是：针对不同的用水场合设备的适应能力强专用型系统的研究；和与现代控制技术、网络、通讯技术、兼容性等技术相结合的变频恒压供水系统的研究；还有在控制端口和协议的标准统一上的研究^[1]。论文中较系统的分析了该设计系统中应用到的变频调速原理，还对该系统所采用的变频器和PLC等主要设备的选择、特性和功能参数等都做了简要的介绍，系统的论述了主要供电电路和整体控制电路的整体设计思路。

2  变频恒压供水系统工作原理

变频恒压供水系统主要组成部分有：三台水泵、主电路、频率变换设备、压力测试设备、PLC等组成。变频器对电源供电的频率特性进行转换，工作中PLC结合实际运行环境的情况，闭环调整所有设备的状态，定时轮换改变三台水泵中的主工作泵状况。达到平衡水泵工作点的目的调节出水口的实际流量值^[2]。供水系统原理图如图1所示。

图1  供水系统原理图

水压力变送器实时将管网的压力反馈给PLC，PLC控制变频器调节电机转速保持水压恒定，从而保证整个系统的平稳运行。

变频器：把电压值恒定、频率固定的交变电源利用二极管等元件的单向导电性，将其变成具有适合供水系统调节使用的可变电压和频率特性的电源。VVVF原理实施的基本方法：PAM、PWM。??

（1）PAM：原理是经过整流和逆变把具有电压恒定、频率固定特点的正弦电源变成具有适合供水系统调节使用的可变的电压和频率特性的电源^[3]。整流和逆变之间必须符合特定的要求，控制电路实现十分复杂繁琐，因此不常用。??

（2）PWM：就是把输出电压的在每半个周期波形均分成若千个脉冲波。利用PWM中电压的均值和电压占空比的正变换关系，在将其经过逆变电路，也就是说PWM只需通过控制反相元件调节电源的频率，改变占空比，最终把具有电压恒定、频率固定特点的正弦电源变成具有适合供水系统调节使用的可变的电压和频率特性的电源。实现原理简单，电路设计简单，操作简单，这种方法使用最多。

?  为了有效的避免水泵在低效率段运行，变频器工作的频率不能太低。水泵转速的工况调节就必须限制在一定得范围内。水泵的调速范围主要取决于水泵本身的特性和用户所需的扬程。每一个型号的水泵都有其固定的水系最大调速范围。而最低调速范围则需根据用户具体的扬程来确定。在实际工作时一般都将扬程设定在高效区，水泵的调速范围会有所减小。实际的频率变化范围是小于50Hz的。这会使转速也会有所减慢，但并不是很多。电动机带负载的能力也会因此而受到影响，能力也会有所下降。系统在这种工作方式下基本上还可以维持电动机的最大工作效率^[4]。??

3  变频恒压供水系统硬件设计

供水设计主要是针对解决现如今的高层居民区供水问题而设计的，当然他的高性能，小投资，节能，环保等特点提高了它的话应能力，扩大了它的适用范围。也可更具具体要求用于工厂供水线路或专业消防供水系统。系统采用的是一对多的设计原理，一台变频器分时段控制三台水系。系统具有PLC智能控制单元，完全实现全自动系统控制，自动的信息数据扫描更新功能，是系统资源达到最合理分配。有效的控制实现三个水泵的工作状态、电压频率、转动速率等性能的控制^[5]。

操控系统的运行方式：人工手动控制、CPU自动控制。??

（1）人工方式：可以任意启/停三台水泵中的任意一个，也可以变换水泵的工频/变频工作方式，甚至改变在变频状态下运行水泵工作的频率，但需要注意的是同一时刻系统中三台水泵中只能有一台水泵处于变频状态运行。由于技术上的限制手动方式不能确保出水管网压力的恒定，所必须需要人为的调节。手动方式主要被用于：

①系统设计初期的性能测试；??

②工作中的检修和突发紧急情况时水泵的控制；??

③通过增大或减小变频器频率的按钮来调节变频变换速度，达到检测速度的目的。??（2）系统正常工作状态下主要采用自动方式运行，自动方式下供水系统保持高度的自动化。在该方式下按下启动控制键，系统将自动赋初值，并且根据实际用水量的多少自动调节水泵的转速和变化运行水泵的台数，这种方式可以极大地提高机器的利用率，最大限度地保证每台水泵在最优配置的状态下工作。该设计中有专用的故障检测排除功能，不断扫描检测设备的工作情况和各环节的配合情况，一旦发现系统有异常，立即通过显示屏输出报警信息和故障分析报告，控制系统更具问题的影响程度，做出相应的应急动作，如果故障直接影响系统的安全运行，那么系统CPU将立即发出控制信号，停止系统的运行对系统做到及时、有效的保护^[6]。手动控制连接如图2所示。

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图2  手动控制连接图

4  变频恒压供水系统软件设计

控制方式为手动控制和自动控制两种。??

（1）  手动方式是通过PLC手动操作面板的输入按钮完成对各类设备的控制，手动控制可以认为变换三个电机的工作状态，没有逻辑限制，不考虑压力传感器的反馈信号。

（2）  自动方式是供水系统通过对外部传感器检测到的状态进行分析，以此作为控制设备开/关、调速、切换等闭环控制的依据。由压力传送设备反馈水位具体值，然后把数据转变为0-5V的电压值输出给控制器扩展端进行A/D转换，将其转换成数字信号，然后输出给控制器PLC，数字信号在控制器中经过存储、分析、比较等过程产生最终的设定值与实际值之间的偏差，该差值用于调节电源频率，从而使得频率输出发生变化，使得电动机组的工作得控制，最终实现整个供水系统的自动调节，使系统在运行中不断地重复采集数据、处理和系统调节过程^[7]。

启动程序，开始执行调用库内自带数据库和函数，完成PLC与其他外围设备的连接检测和数据通信检测。为保护系统的硬件能程序控制下安全有效的执行各个动作。在系统运行中及时进行危险排查和提示是非常必要的。程序检测到硬件系统工作异常时，会及时输出故障信息，显示时屏上将提示有关信息。工作人员将可以根据提示信息轻松地发现问题点。采取相应措施解决问题，维持系统继续工作。通过系统对外部水压值的与程序设定值的差值，对系统中水泵的工作电源频率进行控制，使系统的供水量能力恒压在允许的工作范围内。系统运行主程序如图3所示。??

图3  系统运行主程序流程图

5  结语

设计了一款实验室教学使用的PLC为系统构建基础的具有变频、恒压、自动控制等功能的供水系统。整个恒压供水设计中最大的特点就是用一台变频器来控制三台水泵电机的启动和速度调节，不再使用旧的自藕降压式供水系统的启动方式，本设计还把水泵系统的手动控制和系统的自动控制结合在一起，增强了供水系统的可靠性、安全性。压力传感器完成对管网水压力信号的实时的采样数据反馈，并通过PLC控制处理器将处理后的系统控制信号传递到变频器，变频器在根据控制信号反馈的压力值大、小关系，进而调节电动机的运转速度，通过水泵的性能特性曲线的改变继而实现对水泵出水口供水量的控制，保证了供水系统的恒压供水。