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提要：昆明中汇商业中心恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用三相交流异步电动机变频调速装置与PLC配合构成恒压供水控制系统核心，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和节约电能的目的。系统的控制目标是稳定供水管网的出水压力，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进行运算处理后，发出控制指令，控制泵组的投运台数和水泵电动机的转速，从而达到供水管网压力稳定在设定的压力值上。
关键词：PLC、闭环控制、变频调速、恒压供水控制系统、PID调节器
中图分类号：U264.91+3.4文献标识码： A 文章编号：
1 系统结构与工作原理
昆明中汇商业中心恒压供水系统由主供水回路、不锈钢水池及水泵房组成，其中水泵房有1#～3#共3台15kW的变频水泵。另外，还有多个电动闸阀、电动蝶阀和止回阀控制各供水回路和供水流量。由于该供水管网供水面积较大，系统需要供水量每小时需启动2台水泵向管网进行充压，供水量大时，需启动3台水泵同时向供水管网进行充压。要想维持供水网的压力不变，需在供水管网系统的管道上安装了电接点压力表作为反馈元件，为控制系统提供闭环控制反馈信号，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的调节作用。PLC选择西门子S7-224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
2 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)。PLC的输入、输出端子分配情况如附表1所示。
图2 起动流程图
图3模拟调节流程图
附表1 PLC部分输入、输出端子分配表
3 系统工作过程
加上起动信号(Q0.3)后，此信号被保持，当条件满足(即I0.3为“1”)时，开始起动程序，此时由PLC控制1# 电机变频运行(此时Q0.0、Q0.6、Q0.7亮)，同时定时器T0开始计时(10s)，若计时完毕I0.2仍亮，则关闭Q0.0、Q0.6(Q0.7仍亮)，T2延时2s(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Q0.1、Q0.2、Q0.6、Q0.7亮，同时定时器T1开始计时(10s)，若计时完毕X2仍未灭，则关闭Q0.2、Q0.6，(Q0.1、Q0.7仍亮，)T3延时2s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.6、Q0.7亮，)再次等待Q0.7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，I0.2一旦灭掉，则应视为起动结束(Q0.7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24s的时间。
运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即IO.1、I0.2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Q0.6亮)。
若达到模拟调节上限值(I0.1亮)，则定时器T4马上开始定时(6s)。定时过程中监控I0.1，若I0.1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4定时完毕，I0.1仍亮，则起动一低速(Q1.0亮)，进行多段速调节，同时定时器T5开始定时(4s)，定时完毕。若I0.1仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速(Q1.1)，同时定时器T6定时(10s)。定时完毕，若X1仍亮，则关掉Q1.1，此后I0.0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I0.0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，I1.1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(I0.2亮)，则定时器T7马上开始定时(6s)，定时过程中监控I0.2，若I0.2又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，I0.2仍亮，则起动一高速(Q0.7、Q0.2)，进行多段速调节，同时定时器T8开始定时(4s)，定时完毕。若I0.2仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速(Q1.0、Q1.1)，同时定时器T9定时(10s)，定时完毕。若I0.2仍亮，则关掉Q1.0、Q1.1，此后I0.3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I0.3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，I0.2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I0.0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(6s)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I0.2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I0.2一亮，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(6s)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#。
4 系统优点
(1)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。
(2)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。
(3)因实现恒压自动控制，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。
(4)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。
(5)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。由于其节电效果明显，所以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。
参考文献：
1、温照方《可编程序控制器教程》 北京理工大学出版社 2002年9月出版
2、宋書中《交流调速系统》 机械工业出版社 2001年1月出版
3、任哲《自动控制原理》 冶金工业出版社 1997年8月出版
关键词：PLC、闭环控制、变频调速、恒压供水控制系统、PID调节器
中图分类号：U264.91+3.4文献标识码： A 文章编号：
1 系统结构与工作原理
昆明中汇商业中心恒压供水系统由主供水回路、不锈钢水池及水泵房组成，其中水泵房有1#～3#共3台15kW的变频水泵。另外，还有多个电动闸阀、电动蝶阀和止回阀控制各供水回路和供水流量。由于该供水管网供水面积较大，系统需要供水量每小时需启动2台水泵向管网进行充压，供水量大时，需启动3台水泵同时向供水管网进行充压。要想维持供水网的压力不变，需在供水管网系统的管道上安装了电接点压力表作为反馈元件，为控制系统提供闭环控制反馈信号，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的调节作用。PLC选择西门子S7-224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
2 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)。PLC的输入、输出端子分配情况如附表1所示。
图2 起动流程图
图3模拟调节流程图
附表1 PLC部分输入、输出端子分配表
3 系统工作过程
加上起动信号(Q0.3)后，此信号被保持，当条件满足(即I0.3为“1”)时，开始起动程序，此时由PLC控制1# 电机变频运行(此时Q0.0、Q0.6、Q0.7亮)，同时定时器T0开始计时(10s)，若计时完毕I0.2仍亮，则关闭Q0.0、Q0.6(Q0.7仍亮)，T2延时2s(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Q0.1、Q0.2、Q0.6、Q0.7亮，同时定时器T1开始计时(10s)，若计时完毕X2仍未灭，则关闭Q0.2、Q0.6，(Q0.1、Q0.7仍亮，)T3延时2s，延时完毕，将2#机投入工频运行，3#机投入变频运行，(此时Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.6、Q0.7亮，)再次等待Q0.7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，I0.2一旦灭掉，则应视为起动结束(Q0.7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24s的时间。
运行过程中，若模拟调节器节上、下限值均未达到(即IO.1、I0.2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Q0.6亮)。
若达到模拟调节上限值(I0.1亮)，则定时器T4马上开始定时(6s)。定时过程中监控I0.1，若I0.1又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节;若T4定时完毕，I0.1仍亮，则起动一低速(Q1.0亮)，进行多段速调节，同时定时器T5开始定时(4s)，定时完毕。若I0.1仍亮，则关闭此多段速，起动一更低速(Q1.1)，同时定时器T6定时(10s)。定时完毕，若X1仍亮，则关掉Q1.1，此后I0.0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I0.0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，I1.1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(I0.2亮)，则定时器T7马上开始定时(6s)，定时过程中监控I0.2，若I0.2又灭掉，则关闭定时器，继续摸拟调节，若T7定时完毕，I0.2仍亮，则起动一高速(Q0.7、Q0.2)，进行多段速调节，同时定时器T8开始定时(4s)，定时完毕。若I0.2仍亮，则关闭此多段速，起动一更高速(Q1.0、Q1.1)，同时定时器T9定时(10s)，定时完毕。若I0.2仍亮，则关掉Q1.0、Q1.1，此后I0.3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I0.3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，I0.2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I0.0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(6s)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I0.2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I0.2一亮，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(6s)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#。
4 系统优点
(1)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。
(2)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。
(3)因实现恒压自动控制，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。
(4)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。
(5)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。由于其节电效果明显，所以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。
参考文献：
1、温照方《可编程序控制器教程》 北京理工大学出版社 2002年9月出版
2、宋書中《交流调速系统》 机械工业出版社 2001年1月出版
3、任哲《自动控制原理》 冶金工业出版社 1997年8月出版