摘 要：城市生活和工业用水二级加压泵站的自动控制系统，采用PLC作为控制器，并利用变频器对水泵电机的转速调节，保持供水压力恒定。加泵过程的设计，采用一台软启动器对多台电机的循环启动，降低了制造成本，保证了系统的安全性和可靠性。用户用水量和供水压力始终处于动态平衡，不仅满足了供水的要求，而且达到了节能的目的。
关键词：恒压供水 PLC控制 PID调节 变频调速器 软启动器
中图分类号： TP271+.31 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.040
Design of Constant-Pressure Water supply Control System
YANG Weixin1, ZHaNG Xiaosen2, XU Yanduo2
(1. Northwest Minorities University, Lanzhou Gansu 730124 China; 2. Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050 China)
【Abstract】this article is aiming at the design of the water supplying automatic control system of two grade pump station for industrial and domestic usage. the hydraulic pressure of the pipe system is maintained using a PLC as controller and multiple pumps whose revolving speed are adjusted by a frequency converter. Multiple motors are started by only one Soft Starter during the power frequency startup to reduce the manufacturing cost and guarantee the security and reliability. the water consumption of users and the water supply pressure is always in a dynamic balance in order to both meet the water supply demand and achieve the purpose of energy-saving.
【Key words】Constant pressure water supply PLC control PID Adjustment Frequency converter Soft starter
0 引 言
现代城市生活和工业用水的二级加压泵站很多采用自动控制系统。利用PLC、PID调节器、变频调速器等控制方法和手段，调节水泵的转速和水泵的数量，自动补偿因用水量的变化而引起的供水压力的变化，完成供水压力的闭环控制，保持管网中供水压力的基本恒定。
在实际应用中对于功率37kW以上的供水系统，水泵电机启动通常要采用软启动，为了降低制造成本，利用一台软启动器实现对多台水泵电机的循环启动工作，消除了启动对电网、电气设备和机械设备的冲击。
1 系统的硬件设计
系统采用计算机控制，测控原理如图1所示。通过PLC、变频器、压力测控模块、执行器、PC机等设备控制4台75kW水泵的运行，保证供水压力恒定。引入PC机可实现运行过程的远程监视和控制操作；参数的存储和处理；报表、历史曲线查询和报警等功能，为供水区域可靠性和安全性提供依据。
1.1.1 测控原理
执行器主要由软启动器、继电器、接触器等装置组成。
图1 测控原理
PLC控制器根据供水压力、变频运行的工作状态等参数控制执行器等设备，完成水泵电机从工频运行状态到变频运行状态的转换（工频变频切换）以及软启动器的投入运行等操作。
压力测控模块测量管网压力，其测量参数与给定值的进行比较，经测控模块的PID运算将调节参数送给变频器，使变频器输出频率变化，水泵的转速随之发生变化，从而使供水压力稳定在设定值上[1]。
1.1.2 水泵的控制规律
系统通过用户用水量的大小调节供水压力，当用户的用水量增大时，管网压力将减小，通过调节水泵的转速或增加投入供水泵的台数（加泵），保证供水压力的恒定。
根据用户用水量的变化，变频器所处的位置将发生变化。 用水量减少时，供水压力增加，PID调节器控制变频器降低水泵的转速，使供水压力下降，但水泵的转速降低到一定的值无法再进行压力调节时，可以利用减少水泵的运行数量，来调节管路压力。减泵采用“先开先停”的原则，即关闭最先启动运行的水泵，同时将变频器的工作位置向前移动，其切换原理如图2所示。
图2 加减泵切换原理
变频器在4台水泵上循环工作，保证水泵能轮换工作，延长了泵的使用寿命，降低了泵的维护费用。
2 硬件电路实现
2.1 主回路设计
主回路设计如图3所示。M1、M2、M3、M4为4台75kW水泵电机。PLC控制KM1、KM3、KM5、KM7接触器，根据控制规律将变频器投入到系统中运行。
在加泵过程中，首先要对水泵电机进行软启动，利用PLC控制KM12、KM14、KM16、KM18接触器，可将软启动器投入到系统中。在启动期间，PLC检测软启动结束信号，随时准备进行工频切换。当水泵电机进入到正常的工作状态后，PLC发出启动结束命令，使软启动器处于等待状态，为下一次启动做准备。
图3 主回路
2.2 PLC外部控制线路设计
PLC采用三菱FX1S-30MR可编程控制器,外部接线如图4所示。Y0控制软启动器的启动和停止。Y1～Y15输出接口连接固态继电器SSR，固态继电器分别控制变频回路、工频回路和软启动回路的闭合或断开。
图4 PLC控制线路
加泵或减泵取决于PLC输入端X0、X2和X1、X3的状态。当X0=1，X2=1时，表明变频器处于低速运行或停止状态，而且压力已超上线，此时需要减泵。当X1=1，X3=1时，变频器处于满载运行，压力低于下限值，表明变频器无法继续提高供水压力，需要利用增加水泵的数量加以解决。
为了保证不间断供水，系统通过面板设置了检修按钮。当其中一台电机出现故障或检修时，通过的检测和控制使该线路停止工作，而不需要全面停机检修。
2.3 工频变频切换
目前大多数恒压供水系统的设计，在加泵过程中采用变频工频切换的方法，当变频器运行到50Hz时，断开变频器，将工频电网投入到该回路中，切换完成后，变频器重新投入到处于空闲状态的水泵电机回路中工作。
上述切换方法存在一个问题：三相电动机正常运行时，以同步转速旋转的主磁场在定子三相绕组内感应对称的三相电动势。若变频器断开后，主磁场消失，但被主磁场磁化的转子铁芯依然存在剩磁，由于惯性转子依然高速旋转，在定子线圈上产生的感应电动势，类似于处于发电机状态，此时立即投入工频，如果工频相位和感应电动势相差180°，就会产生特别大的冲击电流，约为其额定电流的十四五倍[2]。
为了解决上述问题，通过各种研究加以解决 [3]。如断开变频器后，通过延时几秒再投入工频，但此时在管网压力的作用，水泵可能已处于停止状态，此时直接投入到工频状态下运行，将产生很大的启动电流，出现保护开关跳闸等故障。也有人研究在切换前检测工频电源与变频器输出频率的相位，当两者出现不同相位的情况时，首先利用改变变频器频率的方法，使其处于同相位，然后完成从变频运行状态到工频运行状态的切 换，这种方法结构复杂，实现较为困难。
为了彻底解决上述问题，该系统在设计上采用了一种新的切换方法。系统要求加泵时，利用软启动器直接启动水泵电机，避免变频工频切换出现的问题。当系统需要减泵时，根据控制规律，同时断开变频运行回路和需要切换的工频运行回路，延时0.5s将变频器投入到断开的工频运行回路中工作，实现工频变频切换。
这种切换方法的优点在于利用变频器的频率跟踪功能，自动跟踪感应电动势的相位，完成工频到变频的转换，无需增加其他辅助设备。即使水泵处于停止状态，利用变频启动电机也不会出现大的启动电流。
3 软件设计
3.1 主程序流程
PLC主程序控制流程如图5所示。主程序包含3个子程序，即加泵子程序、减泵子程序和停机子程序。停机子程序设计上采用延时停机的方法，当系统检测到停机命令后，执行停机程序。停机顺序为：1号水泵停机→2号水泵停机→3号水泵停机→4号水泵停机。在发出一台水泵停机命令后，延时5S再发出下一台水泵停机命令，使供水系统能有一个平稳的过渡过程。
图5 PLC工作流程
3.2 减泵和加泵子程序流程
减泵子程序的控制流程如图6所示。在切换前需要进行延时确认（延时30S），防止系统在临界点附近频繁动作。延时期间，当供水压力回到正常工作的范围内时，取消切换任务，并将定时器复位。
在加泵子程序设计上，首先利用程序判断水泵电机的工作状态，然后根据切换规律，对已处于空闲状态的水泵电机启动运行，启动前仍然要进行30秒的延时。在延时确认后，由软启
图6 减泵流程
动器进行启动操作。
3.3 PC机数据采集及数据处理
PLC、变频器、测控模块等能独立完成现场数据采集和控制。并通过RS-485总线接口和PC机进行通讯，采用MODBUS协议。PC机在一个运行周期里，读取现场数据控制层的工艺参数和状态，对其分析、存储、控制和管理。
监控软件采用组态软件，可以进行远程控制操作，通过组态软件提供的控制命令，对各控制回路发送命令，如改变设定值等操作。图形界面，包括模拟流程图显示、报警、报表、历史趋势和实时趋势显示等功能。
4 总结
(1)利用加泵、减泵及PID调节作用，实现供水管网的恒压控制，具有很好的节能效果。
(2)利用PLC控制器、变频器、PC机等控制设备，采用先进的控制方法和手段，保证了系统可靠性。在实际运用中得到了很好的效果。
（3）控制方法过程中采用水泵循环工作“先开先停”的原则，利用变频器切入到不同的工作回路，减少单台泵的运行时间，延长泵的使用寿命。
(4)汉化的软件平台具备强大的信息处理功能，方便的组态界面提供了可视的信息处理过程，可完成运行过程监视、实现远程控制操作。
参考文献
[1] 孙玲，洪雪峰. 基于PLC 和模糊PID 控制的恒压供水系统设计[J]. 自动化与仪器仪表，2010,152（6）：35-37
[2] 王志亮，郭培彬，刘德田等. 交流异步电动机变频-工频切换的探讨[J]. 变频技术应用，2009（3）：6-9
[3] 王丁磊，郭涛. 变频-工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施[J]. 电气传动，2011（8）:24-25