基于PLC的多泵循环变频恒压供水系统

1 引言
随着人们对供水质量和饮用水水质要求的不断提高，变频恒压供水方式应运而生，它不仅很好地解决了老式屋顶水箱供水方式带来的水质二次污染问题，而且对水泵、电机也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗，同时其具备的软起停功能和根据负载变化自动调节电机水泵转速或增加/减少投入运行的台数，从而避免了电机起动过程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操作的繁杂性。变频恒压供水系统如今正被广泛地应用到城市自来水管网系统、住宅小区生活消防水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统、工业设备冲洗系统等众多领域。本文将介绍基于plc控制的多泵循环变频恒压供水系统方式下的各种需求分析及其过程实现方法。下面以4泵循环为例加以叙述。
2 系统基本需求与分析
多泵循环的变频恒压供水系统，一般采用出口管道压力信号作为基本控制目标，通过压力设定值与采样值的比较和计算，利用pid调节来实现出口管道压力值的恒定，从而达到恒压供水的目的。针对四泵循环其主回路原理图如图1所示。

图1 四泵循环主回路原理图

由图1可见，采用常规的一控四方式，每台电机水泵既可以变频运行，又可以工频运行，但系统运行中始终只有一台变频电机水泵运行，其他电机水泵根据实际需要来决定是否工频运行。

在主回路控制方式确定后，系统能否满足实际需要就取决于plc控制回路的设计，为此，必须充分了解用户对系统的相关功能需求，在各种实际应用场合用户会有各种不同其他功能的需求，根据作者多年来的经验，把各种典型的控制需求和作用列举归纳如下。

2.1 工频/变频控制方式的转换操作
为保证系统的可靠性，必须提供工频/变频两种操作方式，以减少因变频器故障或设备检修维护等原因而造成无法供水的现象，要求控制系统必须设立手动工频操作方式，一般采用转换开关或组合开关作为选择操作设备。

2.2 浮球水位(有水/无水)控制
许多变频恒压供水系统的进水水源采用蓄水缓冲池结构，它可以减少因城市管网供水中断后停止供水的时间。为防止蓄水池无水时电机水泵的空运转带来的设备损坏，必须加装水位检测装置，一般选用较为经济的浮球水位或缆线型水位器作为有水/无水的判断信号，当蓄水缓冲池无水时要求立即停机，当重新有水时要求系统不再需要人工操作干预而自动恢复运转。

2.3 火灾或消防报警信号
在办公楼宇或工业厂房的供水系统中，我们经常遇到需要在有火灾信号或消防信号到来时，要求平时给生活供水的恒压供水系统立即紧急停止运行或帮助消防系统供水。为此，需要在plc控制系统内实现两种不同的供水方式:正常恒压供水方式和协助消防供水方式。这就需要引入这两种不同工作方式的判断条件:火灾或消防报警接点信号。

2.4 气压罐压力上下限压力接点信号
在许多变频恒压供水系统中，吸收了气压罐方式供水的优点:利用气压罐蓄水功能维持低需求量时的续流供水。为此，需要在控制系统中引入这对压力上下限接点信号，以便于在停泵前强行向管网输出供水，直到压力达到上限后系统进入休眠状态即停机，在管网压力达到压力下限时再重新唤醒电机水泵以正常恒压供水方式工作。

2.5 pid调节仪上下限报警接点信号
通常变频状态下变频器频率给定信号来自于pid调节仪的dc4～20ma输出，以此来调节电机水泵的运转速度，满足恒压目的。我们利用pid仪表的上下限报警信号(报警范围可根据需要设定修改)来作为目前系统执行状态向下一个执行状态迁移的前提条件，结合稳定性延时判定来执行变频状态的变迁:增加或减少投运的台数并且自动完成变频驱动电机的切换功能。

2.6 变频器故障接点信号
当系统在变频工作选择方式下，若出现变频器故障时，要求控制系统保证供水压力在一定的范围内(注意:此时无法实现恒压控制，因只有工频运行，所以只能做到将管网压力保持在一定的压力范围内)，避免供水中断或管网压力超过管道承受压力的现象。

2.7 工频故障接点信号
无论在变频工作方式还是在工频工作方式下，若出现某个电机工频故障，要求在状态迁移时，自动进行轮值泵的回避措施，进入n-1个泵的循环方式，直到故障修复后，重新返回到n泵的循环方式，这样可以避免故障损失的进一步扩展的可能，减少设备的进一步损坏。

2.8 其他控制需求
诸如检修泵选择接点信号、少于等于n-2泵的组合方式的选择信号等。
显然，不是每套变频恒压供水系统，用户都会同时要求具备上面全部功能需求，一般来说只要具备2.1、2.2、2.5、2.6中所述这四项功能就可以满足大多数用户的供水需求。在完成需求描述后，我们就要在plc控制图中进行表达。为此，要进行硬件构造设计，如图2所示。

图2 四泵循环plc控制回路原理图

3 系统硬件构造设计
变频恒压供水系统主要由plc控制器、变频器、pid调节器、压力变送器、浮球水位、低压电器设备、动力控制线路以及4台电机水泵等组成。用户可以通过人机界面hmi或pid仪表来进行需求压力值的设定和上下限压力值的设定，可以通过hmi或控制柜面板上的按钮、指示灯、转换开关、电流表、电压表来监视变频恒压供水系统的运行状态。系统通过plc来监视运行过程的相关状态，并进行控制动作的判断输出，plc控制回路原理图如图2所示。

图2表示了完成相应需求功能和逻辑动作时，plc应配接的控制线路图。那么，变频器的运转频率是如何确定的呢？
首先，通过安装在出水管网上的压力变送器，将压力信号转换成标准的dc4～20ma的模拟量信号送入pid调节器;然后，经pid仪表将压力设定值与压力反馈值进行比较计算后，pid仪表输出一个执行值作为变频器的频率给定值，由变频器控制电机水泵的转速，调节管网出口处供水压力，达到恒压供水目的。若是通过hmi设定压力值，那么，实际管网压力反馈的模拟量信号就要进入plc模拟量输入端口，通过用户plc程序来完成设定值与实际值的比较计算，根据差值大小来决定每次执行值调节的频度与幅度(解决好调节频度与调节幅度的问题是保障管网压力稳定的关键所在，也是避免系统振荡的关键技术所在)，从而达到改变变频器的给定频率，实现实时调速的目的。pid闭环控制原理和控制接线图如图3所示。

图3(a)表示了多泵循环变频恒压供水系统压力闭环pid控制原理，图3(b)表示了具体的pid闭环控制实现方法:线路连接图。当压力设定值大于压力实际值时，pid仪表将通过增加模拟量输出值来加速水泵电机的运行;当压力设定值小于实际压力值时，pid仪表将通过减小模拟量输出值来降低水泵电机的运行;pid仪表将不断地通过改变模拟量输出值的大小来调节水泵电机的转速，从而达到供水管网压力恒定的目的。

图3 pid控制原理与接线图

当pid仪表的模拟量输出值达到最大且管网压力仍处于压力下限状态时(通过修改pid仪表的正负偏差值的大小来设定上下限报警点)，利用plc程序开始计时，在计时时间到后(计时的目的是为了对该报警信号的稳定性确认，避免增减投运台数的频繁动作或错误判断动作)，plc将作出一系列动作命令来实现当前状态向下一个状态的迁移，必须指出的是在每次状态迁移时，首先应断开变频器起动信号后再断开变频器与电机间的变频方式接触器，并且变频器停止方式参数最好设置为“自由停车”方式，若动作执行顺序相反，将会造成变频器故障或损坏。在变频工作方式向工频工作方式转换过程中，当断开变频接触器后应在尽量短的时间内完成工频工作方式的投入，否则，当电机转速降到一定程度后就会产生起动冲击。同样，当pid仪表的模拟量输出值达到最小且管网压力仍处于压力上限状态时，plc程序开始计时，计时时间到后，plc将完成当前状态向上一个状态的迁移，通常要设置一个最低输出频率下限的变频器参数，一般取15hz～20hz，这样做一方面是为了避免电机在低频状态下可能的失速现象和电机长时间低频运行的温升问题，另一方面也是为了减少频繁状态迁移带来的系统振荡。图4表示了四泵循环变频恒压供水方式的状态和状态迁移条件，由图4可以看出对于多泵循环变频恒压供水系统来说，其在正常条件下的状态数满足以下公式:

式中，sn为正常状态总数，n为多泵循环系统的泵的台数。

式(1)表达了正常状态与泵的台数的关系以及各个状态之间相互迁移的条件，它是一个典型的多入口多出口状态迁移图，控制逻辑较为复杂。其他诸如指定某台电机处于检修状态所增加的(n-1)2个状态还必须在应用程序设计中加以体现。因此，可以肯定地说，多泵循环控制系统的程序规模至少随着泵的台数的增加而成平方级增长。考虑到各种其他外部条件的因素，实际上程序规模可能会达到:

因此，对于6泵以上的循环控制方式，建议将其分割为3～6泵的控制方式来实施，避免因程序容量过大和逻辑关联太多造成应用程序调试和维护困难及程序中隐含错误的发生。图4表达了仅单台泵处于变频正常运转状态下的迁移和起始变频驱动泵的自动选择，它有效地解决了系统总是从某台泵开始运行这一现象和各台泵使用不均的问题。
4 控制功能和工作原理
4.1 工频手动方式
如图2所示，系统设计了手动工频的操作方式，将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方式下，plc、pid、变频器等均不参加控制，因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式主要供plc、变频器、pid仪表、压力变送器等设备故障检修时使用。

4.2 变频自动方式
将转换开关打到“变频”档位，按下变频起动按钮，系统将自动判断并选择起始变频运行泵入口，进入自动运行。在正常输入条件状态下，控制流程将严格按图4所表达的流程执行。

图4 四泵循环正常状态迁移图

(1) 当某台电机故障或需要检修某台电机水泵时，控制系统将退减到3泵循环方式自动工作;
(2) 当变频器出现故障时，控制系统将采用工频驱动方式控制泵的运行与停止，来保证供水的压力在一定的范围内，但系统无法达到压力值的恒定，同时发出报警蜂鸣声响，通知操作人员进行处理;
(3) 当无水接点信号来临时，plc将关断所有变频和工频输出，直到无水接点信号消失，plc将自动恢复控制输出;
(4) 当消防信号到来时，plc控制将转入子程序段执行，关断生活用水，打开消防供水阀，实现对消防管道补充供水目的，系统将根据在plc程序中设置的消防供水压力设定值自动地完成恒定稳压消防供水。当消防信号解除后，系统自动恢复到变频恒压供水工作状态;
(5) 仅单台泵变频运行，且处于最低输出频率状态和较长时间无压力上下限出现时(可以认为此时的系统供水需求量接近为零)，控制系统将以变频50hz运行30s或使管网压力达到设定值的1.2倍左右后，立即停止运行，进入休眠状态，直到管网实际压力为压力设定值的80%左右，控制系统重新自动恢复变频运行，即休眠唤醒。当然，管网中若有气压罐，系统应以气压罐的压力控制器的上下限接点作为休眠与唤醒的条件进行控制。

基于plc控制的多泵循环变频恒压供水系统的plc应用程序(如:2泵循环、3泵循环、4泵循环)文本在此不再赘述。
5 系统优缺点介绍
在过去的几年中，我们分别为上海原水股份临江自来水厂、上海自来水设备公司市南分公司、仲盛地产集团、久星房地产置业、武汉中房、无锡希门凯公司、宝钢集团等用户装配80多套变频恒压供水装置，不仅成功地完成了用户的需求，而且投入运行后系统稳定可靠。

5.1 优点
本系统的优点可以归纳为以下几个方面:
(1) 系统造价经济性
由于采用“一拖多”控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件投资成本较少，具有较高的价格竞争优势;
(2) 系统构造简单和易维护性
系统由功能相对独立的通用设备单元构成，便于故障判断和日常维护保养及功能性单元替换;
(3) 通用性和灵活性
系统基本不受用户的使用场所和应用环境限制，可通过软件功能块的组合将其扩展到其他类同的供水应用场合，具有较强的灵活性;
(4) 智能性
系统可在无人职守的情况下，通过对故障的检测判断，自动地按“优美降级使用”方案处理，减少了系统停机断水现象;
(5) 保护功能全面性
系统除具有常规的过载、过流、过压等保护功能，还具有无水停机、管网上限压力保护等附加功能性保护。

5.2 缺点
当然，本系统也并非完美无缺，比如在某台电机变频运行向工频运行切换的过程中，由于在变频驱动切断后电机处于滑停运转方式，此时，电机处于感应发电状态，存在着感应发电相位与工频电源的相位不一致的可能性，容易造成在向工频切换时的电流冲击现象。为避免这一现象，可采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案。在实际应用中，对于380v/110kw以下容量的电机，只要缩短电机自由滑停段的时间(一般控制在200ms以内)，就可以减少感应发电状态下的非同期相位的电量累积，减小工频切换时的冲击影响。
6 结束语
通过以上各部分的分析与描述可知，在进行控制系统设计之前，必须调查清楚用户的需求，然后综合考虑各需求之间的关系和处理方法。对于3泵循环控制，其plc控制器大多选用lg k120s系列中的k7m-dr30u，其输入点为18，输出点为12，即能满足多数情况的需求又具有经济性。变频器多数选择lg公司的产品:ig5或is5或ih等，它不仅完全具备控制系统对其功能的需求，而且具有较高的可靠性和性价比。

基于plc控制的多泵循环变频恒压供水系统采用plc的开关量输入/输出方式来控制电机的起动与停止、状态迁移、检修与故障处理等功能，通过pid仪表、压力变送器来实现变频驱动电机水泵的速度调节(当然也可以通过触摸屏和模拟量输入输出混合模块来实现变频速度调节)，从而达到恒压供水的目的。控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则，采取“先入先出”的排队策略，执行变频方式轮值，确保各泵使用率基本均衡。

变频恒压供水一改以往的定量供给方式，首次实现“按需分配”原则，因此变频恒压供水方式与工频控制方式相比，不仅具有上面所述功能优点，而且同样具备很好的节能效果，在以往的工程中通常节电率达到20%以上。
参考文献
[1] lg k120s编程手册[z].
[2] lg ih变频器使用说明书[z].
[3] 王占奎. 变频调速应用百例[m]. 北京:科学出版社,1999.
作者简介
王宏岩(1968-) 电气工程师/本科 毕业于安徽大学计算机系计算机应用专业，现就职于上海三信自动化工程有限公司工程技术部，主要从事自动化控制项目设计、安装、调试、程序开发等工作。