恒压供水系统

1 引言

通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和PLC的运用为水泵转速的

平滑性连续调节提供了方便。

2 恒压供水控制系统的基本控制策略

采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20ｍＡ)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。

供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大

于实际最大供水量。

3 恒压供水系统的基本构成

而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不

同的水量需求。

如图为恒压供水泵的水的构成示意图1。图1中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的

变化转变为电流或电压的变化送给调节器。

图1 恒压供水泵的构成

调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行

设备就是变频器。

用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节;它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵(主泵也是轮流担任的)，主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC 同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如:手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。

4 PLC的模拟量扩展单元的配置和选型

4.1 PLC模拟量扩展单元的配置及应用

PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC 可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用S7-200系列PLC的模拟量扩展模块EM235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可

以用于恒压供水控制中。

4.2 PLC系统的选型

系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个;模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU224的PLC，也需要扩展单元;如果选用CPU226的PLC，价格比较高，这样形成的浪费较大。因此参照西门子S7-200产品目录及市场价格可知选用的主机为CPU222一台，加上一台数字量扩展模块EM222，再扩展一个模拟量模块EM235。这样配置是最为

经济的。整个PLC系统的配置如图2所示:

图2 PLC系统的配置

5 电控系统的原理设计

电控系统的原理图包括主电路图、控制电路图及PLC的外围接线图。

5.1 主电路设计

如图3为电控系统的主电路图。三台电机分别为M1，M2，M3。接触器KM1，KM3，KM5

分别控制电机M1，M2，M3的供频运行;接触器KM2，KM4，KM6分别控制电机M1，M2，M3的变频运行;FR1，FR2，FR3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器;QS1，QS2，QS3，QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关;FU1为主电路的熔断器;VVVF

为通用变频器。

图3 恒压供水系统主控电路

5.2 控制电路设计

图4为电控系统控制的电路图。SA为手动/自动转换开关，SA打在1的位置时候为手动控制状态;SA打在2的位置时候为自动控制状态;在手动运行时，可用按钮SB1~SB8控制三台电机的起/停和电磁阀YV2的通/断;自动运行时，系统在PLC程序控制下运行。

图4 控制电路图

图中的HL10为自动运行状态时的电源指示灯。对变频器的频率进行复位控制时只提供一个干触点信号，由于PLC为4个输出点为一组共用的一个COM端，而系统本身又没有剩下

单独的COM端输出组，所以通过一个中间继电器KA的触点对变频器进行复位控制。图4中的Q0.0－Q0.5及.Q1.0－Q1.5为PLC的输出继电器触点。在此可以看到在检修是的控制原理和水泵在正常运行是的控制原理一样的，最终是通过控制接触器的通与断来控制水

泵的启动与停泵。

在PLC控制时候与检修时的控制最大的区别是，PLC可以通过变频器来控制水泵的转速从而达到对水压的压力控制，而检修的目的是对机器的维护而不是控制水压，因此不必通过对

其转速控制。

6 电控程序设计

6.1 泵站软件的设计分析

(1) 由“恒压”要求出发的工作组数量的管理

为了恒定水压，那么在水压降低时，需要升高变频器的输出频率，并且在一台水泵工作是不能满足恒压要求时，这时需要启动第二台或第三台水泵。这样有一个判断标准来决定是否需要启动新泵即为变频器的输出频率是否达到所设定的频率上限值。这一功能可以通过比较指令来实现。为了判断变频器的工作频率达到上限的确定性，应滤去偶然因素所引起的频率波动所达到的频率上限值的情况，在程序中应考虑采取时间滤波情况。

(2) 台组泵站泵组的管理规范

由于变频器泵站希望每一次启动电动机均为软启动，有规定各台水泵必须交替使用，那么多台组泵站泵组的投入运行需要有一个管理规范。在本次设计中控制要求中规定任意的一台水泵连续运行不得超过3h，因此每次需要启动新泵或切换变频泵的时候，以新运行泵为变频是合理的。具体的操作时，将现运行的变频器从变频器上切除，并且接上工频电源加以运行，同时将变频器复位并且用于新运行泵的启动。除此之外，泵组管理还有一个问题就是泵的工作循环控制，在本设计中所使用的是用泵号加1的方法来实现变频器的循环控制即3加上1等于0的逻辑，用工频泵的总数结合泵号来实现工频泵的轮换工作。

6.2 程序的结构及程序功能的实现

根据前面可知，PLC在恒压供水系统中的功能比较多，由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可以分为三个部分:主程序、子程序和中断程序。

(1) 系统的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能来实现PID控制的定时采样及输出控制。初始化子程序流程框图如图5。在初始化的子程序中仅仅在上电和故障结束时用，其主要的用途为节省大量的扫描时间加快整个程序的运行效率，提高了PID中断的精确度。上电处理的作用是CPU进行清除内部继电器，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接。

图5 初始化程序

(2) 主程序流程图如图6。其功能最多，如泵的切换信号的生成、泵组接触器逻辑控制信号的综合及报警处理等等都在主程序中。生活及消防双恒压的两个恒压值是采用数字式方式直接在程序中设定的。生活供水时系统设定为满量程的70%，消防供水时系统设定为满量程的90%。本系统中的增益和时间常数为:增益 Kc=0.25，采样时间Ts=0.2s，积分时间Ti= 30min。

图6 主控制程序

(3) 中断程序如图7，其作用主要用于PID的相应计算，在PLC的常闭继电器SM0.0的作用下工作，它包括:设定回路输入及输出选项、设定回路参数、设定循环报警选项、为计算指定内存区域、指定初始化子程序及中断程序。

图7 中断程序

7 结束语

恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。

水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。

由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。正因为此，系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。

在实际应用中，采用PLC控制恒压供水，还能容易地随时修改控制程序，以改变各元件的工作时间和工作状况，满足不同情况要求。与继电器或硬件逻辑电路控制系统相比，PLC 控制系统具有更大的灵活性和通用性。

?2007-3-22 17:28

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变频恒压供水设备是一种新型的节能供水设备。变频恒压供水设备系运用当今最先进的微电脑控制技术，将变频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。变频恒压供水设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机自动控制变频器的输出频率从而调节水泵电机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。

变频恒压供水设备的组成：

变频恒压供水设备主要由水泵机组、测压稳压罐、压力传感器、变频控制柜等组成，能始终维持压力表压力（即用户管网水压）等于用户设定值。可用于一般生活或生产供水。

供水系统组成方式有：

1、变频恒压供水设备与市政管网并网恒压供水，在供水压力可满足需要时，自动停运全部水泵。否则，恒压供水设备起动，增大压力满足用水要求。

2、附加小泵或气压罐，为完全消除小流量或零流量供水电耗，可增加辅助小泵或辅助气压罐，当供水压力低时，自动停运主泵，使小泵或气压罐运行。

保证了整个用户管网随时都有充足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况变化而变化）。

变频恒压供水设备产品特点

1.变频恒压供水设备具有超压、欠压、过载、短路、断相、低液位等功能。

2.变频恒压供水设备调节精度高，一般可达到0.01MPa，系统压力始终维持在设定值不变。

3.变频恒压供水设备操作简单方便，具有故障自动存储、故障显示。压力可从键盘直接设定。

4.变频恒压供水设备具有高效节能的优点，如与气压罐配套使用，效果更佳，节能率为20%～50%。

5.变频恒压供水设备，双泵定时切换功能。一用一备控制。

6.变频恒压供水设备结构紧凑，占地面积小，维护方便。

变频恒压供水设备适用范围

1.变频恒压供水设备适用工业与民用锅炉循环系统的定压补水装置。

2.变频恒压供水设备适用热水采暖系统的定压补水装置及热水循环系统。

3.变频恒压供水设备适用地热采暖系统，水原热泵等。

4.变频恒压供水设备旧有的锅炉自动稳压膨胀装置（气压罐等）的改造。

5.变频恒压供水设备旧有的热水采暖自动稳压膨胀装置（气压罐、膨胀水箱等）的改造。

变频恒压供水设备控制器产品信息

CPS-21E系列变频恒压供水设备控制器的特点

CPS-21E系列变频恒压供水设备控制器（以下简称为21E控制器）是我公司在原有第三代CPS-20系列控制器的基础之上，按照ISO9000质量体系的要求研发的具有革命性变革的新一代控制器。我们综合了十年来广大用户的需求，参照新的标准，采用最新的单片机技术和现场总线技术，结合高可靠性的设计，使新一代21E变频恒压供水设备控制器在可靠性、稳定性、可扩展性方面都有较大的进步，能够更好地满足客户的需求。

变频恒压供水设备选型说明：

21E

泵组变频循环软起动工作方式，或配置成1台变量泵+多台定量泵的工作方式。

21E用户不仅可以根据系统中泵的数量进行扩展，还可根据现场的一些特殊的应用选择特殊类型的模块，以便实现系统的要求。

变频恒压供水设备PID控制原理

根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的

系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。

2 系统结构与工作原理

供水系统由主供水回路、备用回路、储水池及泵房组成，其中泵房装有1#～3#共3台150kW泵机。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。由于该供水网较大，系统需要供水量每小时开2台泵机向管网充压，供水量大时，开3台泵机同时向管网充压。

要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是一个大滞后系统，不宜直接采用PID调节器进行控制，而应采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。可编程序控制器选择日本松下FP1-C40型，且配有A/D 和D/A模块，其原理框图如图1所示。变频器选择FRN1 60G7P-4实现电动机的调速运行。

控制系统主要由PLC、变频器、切换继电器、压力传感器等部分组成。控制核心单元PLC根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经PLC的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID运算后，PLC将0～5V的模拟信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动;PLC通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机台数，并完成电机的起停、变频与工频的切换。通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。

图1 恒压供水系统原理图

3 系统程序设计和PLC的I/O分配

系统程序包括起动子程序和运行子程序，其流程图如图2所示。运行子程序又包括模拟调节子程序(其流程图如图3所示)和电机切换子程序(流程图略)，电机切换子程序又包括加电机子程序和减电机子程序(程序设计略)。PLC的输入、输出端子分配情况如附表所示。

图 2 起动程序流程图

图3 模拟调节流程图

附表可编程序控制器(C40)部分输入、输出端子分配

4 系统工作过程

加上起动信号(X4)后，此信号被保持，当条件满足(即X2为“1”)时，开始起动程序，此时由PLC控制1# 电机变频运行(此时Y0、Y6、Y7亮)，同时定时器T0开始计时(10s)，若计时完毕X2仍亮，则关闭Y0、Y6(Y7仍亮)，T2延时1s(延时是为了两方面的原因:一是使开关充分熄弧，防止电网倒送电给变频器，烧毁变频器;二是让变频带器减速为零，以重新起动另一台电机)。延时完毕，则有1#机投入工频运行，2#机投入变频运行，此时Y1、Y2、Y6、Y7亮，同时定时器T1开始计时(10s)，若计时完毕X2仍未灭，则关闭Y2、Y6，(Y1、Y7仍亮，)T3延时1s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时Y1、Y3、Y4、Y6、Y7亮，)再次等待Y7灭掉后，则整个起动程序执行完毕，转入正常运行调节程序，此后起动程序不再发生作用，直到下一次重新起动。在起动过程中，无论几台电机处于运行状态，X2一旦灭掉，则应视为起动结束(Y7灭掉)，转入相应程序。综合整个起动过程，完成3台电机的起动最多需要22s的时间。

运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即X1、X2灭)，则此时变频器处于模拟调节状态(此时相应电机运行信号和Y6亮)。

若达到模拟调节上限值(X1亮)，则定时器T4马上开始定时(5s)。定时过程中监控X1，若X1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4定时完毕，X1仍亮，则起动一低速(Y8亮)，进行多段速调节，同时定时器T5开始定时(3s)，定时完毕。若X1仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速(Y9)，同时定时器T6定时(10s)。定时完毕，若X1仍亮，则关掉Y9，此后X0很快会通，转入切换动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X0亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行切换动作，即转入切换程序。同样，若无论何时，X1灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

若达到模拟调节下限值(X2亮)，则定时器T7马上开始定时(5s)，定时过程中监控X2，若X2又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，X2仍亮，则起动一高速(Y7、Y2)，进行多段速调节，同时定时器T8开始定时(3s)，定时完毕。若X2仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速(Y8、Y9)，同时定时器T9定时(10s)，定时完毕。若X2仍亮，则关掉Y8、Y9，此后X3很快会通，转入加电机动作程序。在此两级多段速调节过程中，无论何时，若X3亮，则会关闭相应多段速和定时器，同时进行加电机动作，即转入加电机程序。同样，若无论何时，X2灭掉，则关闭运行多段速和定时器，转入模拟调节。

电机切换程序分为电机切除程序和加电机程序两部分。此程序动作的条件是:起动结束后无论何时X0亮，一旦条件满足，即由PLC根据电动机的运行状态来决定相应切换哪台电机，切换时只能切换工频运行电机。

若工作状态是1台变频1台工频，则立即切除工频电机，然后计数值减1，即完成此过程，再由调节程序运行，调节至满足要求为止。

若3台电机同时工作，则应由PLC来决定切除哪台工频运行电机。切除依据是3台电机对应计数器的大小，谁大切谁，切除掉一台后，要由定时器定时(5s)等待，以便变频器调节一段时间，防止连续切除动作。这主要是考虑到本系统的非线性和大小惯性因素而采取的措施。图3运行时模拟调节子程序流程图加电机程序，其动作程序是:起动结束后无论何时X2亮，一旦条件满足，立即关掉变频运行电机和变频器，延时一段时间后(原因同上)，将原变频运行电机投入工频运行，同时打开变频器和将要起动电机的变频开关，完成加电机。

同样，若原有2台电机工频工作，则X2一亮，立即开始加另一台电机(无延时)，(加电机依据是判断计数值，谁小加谁)但加电机完成以后，定时器要开始定时(5s)等待，让变频器调节一段时间，防止连续加电机动作。其过程分为:1# → 2#、1# → 3#、2# → 3#、2# → 1#、3# → 2#、3# → 1#。

5 结束语

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比较，节能效果十分显著。其优点是:起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命;可以消除起动和停机时的水锤效应;在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。

参考文献

[1] FP1型可编程控制器C24/C40/C60操作手册[Z].

[2] 变频器说明手册[Z]. 富士电机有限公司.

[3] 曾毅等.变频调速控制系统的设计与维护[M]. 济南:山东科学技术出版社,2000.

[4] 陈国呈.PWM变频调速技术[M].北京:机械工业出版社,2001。

作者简介

张全庄(1963-) 讲师现为陕西科技大学在读硕士，主要研究方向:工业电气自动控制与PLC应用。

Invt CHV160供水专用变频器的应用水是人类最宝贵的资源，是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线，水工业是以城市及工业为

对象，以水质为中心，从事水资源的可持续开发利用，以满足社会经济可持续发展的所需求水量作为生产

目标的特殊工业。在水的开采、加工、输送利用过程中，供水设备是其必不可少的工具。

█供水现状与恒压供水设备

一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。传统的方法是水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，其设备一次投资费用高，并且必须由水泵高于实际用水高度的压力来提升水量，其结果往往增大了水泵的轴功率和能量损耗，在使用这些传统的供水方式，还容易造成水的二次污染。

根据工业生产、生活、农业节水灌溉工程等用水的要求，应用CHV160系列的供水专用变频器，可快速装配成恒压供水系统。它集变频调速技术、PLC技术、PID控制技术等为一体，可组成完整的闭环自动控制系统。

█ 恒压供水原理

供水自动控制系统工作时，设备通过安装在供水管网上的高灵敏度压力传感器来检测供水管网在用水量变化时的压力变化，不断向变频器传输变化的信号，经过微电脑判断运算并与设定的压力比较后，向控制器发出改变频率的指令，控制器通过改变频率来改变水泵电机的转速与启用台数，自动调节峰谷用水量，保证供水管网压力恒定，以满足用户用水的需求。CHV160恒压供水原理图如下：

█ 恒压供水优点

CHV160系列供水专用变频器设计理念源于丰富的工程实践，具有以下优点：

1.多段压力设定：每天可达八段压力设定，可随时间不同，更改压力给定量。如为适应生活供水中的3个用水高峰期的流量波动，设置三个高压力供水时段。

2.休眠控制功能：能使系统进入休眠控制状态，并能控制专用的休眠小泵，如参数设置休眠唤醒使能，将能唤醒工变频运行；特别适合夜间供水急剧减少的时刻。

3.定时轮换功能：经过设定的时间，让系统中的水泵进行轮换，使系统中的所有水泵轮流参与运行工作，有效地防止泵的锈死现象，提高设备的综合利用率。降低维护费用。当泵的容量基本相同时，选择定时轮换功能比较合适，以免造成系统工作的震荡。

4.进水池液位检测及控制功能：对清水池的液位进行检测及控制，当进水池水位由高到低变化，水位高于下限水位时，系统按照正常设定压力运行；当水位低于下限水位而高于缺水水位，系统按照非正常备用压力运行；当水位低于缺水水位时，系统停止所有的运行。

当进水池水位由低到高变化，水位低于下限水位前，系统不运行；当水位高于下限水位而低于上限水位，按照非正常备用压力运行；高于上限水位后，系统恢复正常压力运行。

5.压力容差范围调节功能：PID调节有容差范围,当反馈压力在设定压力值的偏差极限内,压力调节器停止调节,以提高压力调节系统的精度与稳定性。

6.平滑的水泵切换功能：当进行加减泵时，始终保持一台变频泵运行中，以使管网的压力不会突变。对变频泵投切到工频泵，可设定变频泵投切频率，变频泵运行在较高的频率，再投切到工频运行，保证管网压力的稳定。