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用越来越广，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机械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。变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。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。

　　通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

　　合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

　　该系统采用的是西门子可编程序控制器S7200系列，PLC编程采用STEP7 MicroWIN V4，它是S7200PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。

　　泵组的切换。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

　　同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

　　由压力传感器反馈的水压信号(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口，设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算何以需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。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。

　　变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率：控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2泵1。 直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行 (对于这个切换过程，我在这里要声明，这个切换必须和软启动的过程一样，才可以切换，要不会影响设备的寿命，严重的会烧毁变频器和电机) ，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。

　　要使系统稳定的运行变频转工频开关切换时间TMC，设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。

　　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。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。

　　西昌市位于安宁河中段的邛海之滨、安宁河畔。安宁河两岸群山起伏，呈南北向带状分布，东有帽儿山、螺髻山，西有牦牛山、磨盘山，隔河对峙。境内绝大部分地域处于海拔1500米以上，以高原中山为主，约占80%，其余20%为断陷河谷平原或山间盆地，形成“八分山地二分坝，坝内八分土地二分水”的地貌形态。全市地势呈北高南低，由北向南倾斜，地势以高原中山为主。境内岭谷高差十分悬殊，最高点在西昌、普格、德昌三市县交汇处的螺髻山，主峰海拔4359米；最低点在雅砻江深切河谷的荞地乡桐子林，海拔1160米。

　　目前，城市供水系统为实现恒压供水，常采用的供水系统控制方案主要有三种，即逻辑电子电路控制供水方案、单片机电路控制供水方案和变频器与控制器集成控制供水方案。作为城市供水系统常用系统方案中的一种，变频恒压供水系统的工作原理是怎样的？其有何特点？该系统方案在城市供水系统中的应用有何重要意义？而在我国现有的城市供水系统中，变频恒压供水系统又有着怎样的广泛应用呢？以下主要从这几个对城市供水系统中变频恒压供水系统的应用问题进行简单介绍。

　　结合图1中我国城市变频恒压供水系统的图示来看，工作过程中，系统根据管道中压力传感器检测到的水压的变化情况，通过DP3-SVAB把水压变化信息转化成为标准的4—20mA的连续性的电流信号，通过电流信号对变频器进行控制，调整其运行的频率，进而实现对水泵转速的自动调整与控制，实现恒压供水的基本功能。

　　在我国大部分城市中，不管是工厂还是小区，其用水量的多少始终处于动态性的变化当中国，因此城市供水中供水不足与供水过剩的问题时有发生。这种用水与供水的不平衡集中体现在供水压力方面：用水多、供水少，供水压力则低；用水少、供水多，供水的压力则大。而变频恒压供水系统的应用则可以维持城市供水压力的相对恒定，使城市供水与用水之间保持一种平衡的状态，使城市供水的整体质量得到有效提升。

　　基于变频恒压供水系统的应用特点和应用价值，目前我国城市供水中对该系统的应用相对广泛。具体来看，普通循环的软启动变频供水系统、全流量的高效变频供水系统、生活消防合用的变频供水系统、消防变频恒压供水系统以及带有小流量的循环软启动的变频供水系统等，这些变频恒压供水系统在我国城市供水系统中都有着较为普遍的应用。

　　伴随着近几年我国房地产行业的快速发展和我国各级城市城镇化速度的加快，以及我国工业和经济的快速发展、城市建设的飞速发展、城市人口显著增多，人们对生活水平的要求也不断提。对城市的供水系统、供暖系统及消防系统的要求逐渐增高，对系统的质量、稳定性等要求的也越来越高。再加上现阶段我国能源紧缺，城市污染严重，所以利用先进的自动化控制技术以及信号反馈技术结合电机动力技术，设计出性能高、节能性强又能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。

　　现阶段大多数变频器恒压自控供水系统大致由外部控制台安装的可调节控制器、控制柜内的编程变频器、一台或多台水泵组成的电机组、远程压力信号传感器、和控制柜等电器元件构成。系统大多数采用一台变频器拖动一主一备双泵体形式，也可以根据需要设计一台变频器拖动一台或者托动多台电机泵体，主要根据现场情况设计而定。该系统以供水系统管道出口的水压为控制目标和检测反馈信号的对象，通过设计的自控供水系统控制，实现供水主管道的实际供水压力稳定在需求设定的供水压力。因此，简单来说变频恒压自控供水系统的目标就是使供水管道出口供水实际压力稳定在需求组设定的供水压力上，当实际供水压力低于或者高于设定压力，远传压力信号传感器反馈的信号会按比例转换成电压或者电流反馈给系统的主体可编程变频器，随即变频器会根据反馈信号的大小自动增高或降低当前的输出频率使输出电机的转速增大或降低，从而提高或降低供水压力，当然变频器的此种调节是根据反馈的信号大小，即实际压力与设定压力的差值来调节输出频率值的，可以根据需要设定变频器调节输出频率的下限跟上限值。当反馈频率达到设定压力时变频器会自动停止输出频率使水泵停止运转。这种调节过程可被重复执行，总使供水管道出口的实际压力和设定压力一直保持相对平等状态。

　　在变频器恒压供水系统的设计时，可以采用一台变频器连接单一电动机或者几台电动机，现阶段大多的恒压供水系统都采用一拖二的方式，即一台电机与变频输出电源连接作为主泵，另一台电机通过控制线路连接变频器TA、TB两个常开触点，并进行设定，当实际压力值远低于设定压力值时备用泵就会启动。在设计时要注意各个电机的输入电流前面需要接入一个断路保护器，用来实现变频器的工频状态的电机过流、过热保护。电机当前的工作电压和电流可在变频器面板上查看，在试运行行发现旋转方向与设定不一致时，需要调换输出端子（U， V， W）的任意两相即可，尽量不要通过变频器的FWD跟REV来调节，一定注意对于有工/变频转换的两种状态的电动机，必须要保证在工频拖动和变频拖动两种情况下电机旋向的一致性。

　　变频器的起动和停止主要采用变频器的控制面板完成，在操作中无论是变频器自带的控制面板上的运行和停止键（FWD、REV）或者是外控端的启动键一定要与使用转向一致。在设计时如果该系统输入、输出电流过大一定要按照设计要求采用相应规格的电缆并做电磁隔离和强弱电间的保护程序，在交流接触器之间采用中间继电器胡锁程序来实现强电和弱电之间的隔离以方便控制，对系统保护。所有控制电路之间要存在互锁关系，利用组内互锁和组间互锁两种关系，严禁出现几台电动机同时工作和一台电动机同事接在工频电源和变频电源的情况。变频器控制恒压供水系统还需要根据所应用场合进行编程设计，一般最主要的即输入设定压力、输入启动频率、启动方式、上下限频率等，还可根据拖带水泵方式选择中间继电器来实现控制多台水泵机的运行方式。在进行控制电路设计时还应该设计系统阀门和当前工作状态，以及故障状态指示灯的设计，这些可以根据与变频器输出端子相联的中间继电器或者连接输出电流的交流接触器的常开触点的断开/闭合状态来实现相应指示灯的点亮和熄灭，显示当前系统电机的工作状态或故障状态。

　　变频器的反馈信号的输入是依远程压力传感器检测的管网压力信号，一般以标准校验过的远传压力表的0～l0V的电压信号或以4～20mA电流信号进行传输的。按照变频器要求一般接到V+、VI、GND实现远程信号的反馈：控制系统原件的设计除了要考虑所需端子数目外，还要考虑控制系统实际需求外，要留有一定的余量，必要时可加外接继电器控制和接线端子，以为新设备的加入或设备调整留有余地。现阶段的变频器主程序的现场编程工作基本由厂家安装技术人员完成，除了需要对恒压供水模拟量（压力）设定外，还需要对变频器设置系统的反馈信号方式、反馈信号模拟量比例系数、启动频率、控制方式、运转方式、主副泵供水方式等设定以构成一套完成可操作的PLC恒压供水控制系统。

　　随着我国城市建设中各种工程的技术发展以及变频器被广泛的应用，与此同时的能量日益紧缺，城市污染越来越重，在这种情况下，变频恒压自控供水系统的使用已经涉及各种供水、供暖领域，当然也对变频恒压自控供水系统的技术提出更高的要求。同时研究方向日趋走向节约能源于便于监控操作。所以变频器恒压自控供水系统技术在先阶段工程领域使用的过程中，仍然有必要对其进行更深入的研究。

　　所谓的恒压供水控制就是采用变频调速对不同的水量变化对水压进行控制，使得水压始终可以保证在一个恒定值，以保证城市正常的生产，居民日常生活的用水需求。恒压供水控制方式是目前国内外先进供水控制方式，它可以保证水压的恒定，并实现供水系统进行集中的控制与监管，它相对于传统的供水方式而言稳定性和可靠性非常的高，同时它的操作简单方便，可进行自动化操作管理更还可以节约电能。

　　变频恒压供水系统主要由电动机、水泵机组、测压稳压罐、压力传感器、变频控制柜、阀门和管道等组成。首先要先通过传感器对水的压力进行反馈，再通过调节变频器进行输出，以此来调节三相异步电动机的转速，从而对水泵的出水流量进行控制，实现供水压力的恒定。所以说，变频恒压供水系统的变频，实质就是三相异步电动机的变频调速过程。

　　对于变频恒压供水系统的设备选用，首先应考虑的是运用计算机进行供水系统的远程控制和管理（多数机械设备的变频都是选用与PLC进行结合的技术），通过PLC进行控制的变频恒压供水系统包括可编程控制器、变频器、压力变送器和水泵，（大多数情况下可编程控制器都会选用西门子S7-200系列的PLC进行变频控制以及现场设备的运行控制），此系统同时具有手动与自动两种工作操作方式，且具有自诊断故障功能和自处理故障功能，同时可在发生故障的第一时间发出报警信号，泵的电动机功率为220KW，以PID计算方法进行水压的闭环控制。

　　水泵电机的转速是由变频器进行控制的，以此来实现水压的恒压控制。当系统被启动时，首先应闭合空气开关，并把转换开关调到变频位置，此时电流通过开关送到交流接触器和热继电器上，再进行加载到达变频器上，这时变频器输出驱动，变频电机开始启动运行；此时应要注意的是，当检测得到的管网压力大于设定值，则系统不能被启动，而当管网压力小于设定值时，系统正常被启动。

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　　当变频器出现故障时，为了保证城市居民的正常用水，应当采用临时的手动工频进行供水控制。首先要切断加在变频器上的三相电源，并将电源连接在工频中，当按下启动按钮后，接触器KM1、KM2和时间继电器得电，电机开始转动，当电机的转速达到指定数值时，时间继电器KT开始动作，此时KM1、KM2主触点随即断开，接触器KM3得电闭合，此时电机的额定电压已进入到了全压的运行状态，即达到临时手动供水目的。

　　在整个供水系统中，当管道、管路中水流阀门的开度保持不变的情况下，可以表现出供水系统的基本特性，还可以表现出所处的工作点的扬程特性，其扬程特性曲线是以全扬程与流量间的关系的曲线=f（QG）表示的；当水泵的转速不发生变化时，其可以变现出管阻特性，管阻特性曲线则用扬程H与流量Q之间的关系H=f（Qu）表示；而当管道阀门或管路阀门的开度不同时其变现出得管阻特性曲线也会不同。扬程特性曲线与管阻特性曲线的交叉点形成了供水系统的工作点，被称之为供水系统的工作点，此点的供水系统是处于平衡状态的，系统运行也十分稳定；所谓的供水功率是供水系统在向用户进行供水时所消耗的功率P（KW）。

　　变频恒压供水系统可配备恒压供水专用变频器，并运用模糊控制理论使系统运行更加合理。另外本设备装有“自动”“手动”转换开关供用户选择；延长了水泵及电机的使用寿命，无水锤现象，电机变频软启动；延长了管道使用寿命，在不用水时或用水量较小的情况下，减少了管网压力，使得管网不易破裂，极大地节约了管道的维修费用；取消了高位水塔或水箱、气压罐。一方面解决了水的二次污染问题，另一方面节省了建设它们的工程建设费；节电一般可达30%左右。因为居民用水量是随时间变化的，而变频恒压供水系统可根据用水量的变化，自动改变水泵转速或增减水泵工作台数达到恒压供水，达到节电目的；自动化控制，克服了人工控制可能带来的误操纵，同时大大降低了操纵工人的劳动强度和人数，并可实现远程操纵和远程监控；功能齐全。有多种保护功能：过载、过热、过压、欠压、过流、缺相等。各种工作状态都有指示灯显示。

　　产品适用范围：从自来水公司供水系统中取水的用户。例如：城市高层建筑、住宅小区的用水从地表下或水池取水的用户。例如：用深井泵或潜水泵直接从地下取水的用户供热系统锅炉变频定压补水系统。因其性能可靠、结构简单、运转方便、投资低廉、被广泛用于工矿企业、城镇、农村等中小区域供水系统，尤其适合于水源为自备水井、地下水池及水库等场合，

　　对于专用变频器，由压力传感器检测到的管网压力直接送入变频器中的PID调节器输入口；对微处理器（包括PLC）控制的系统，压力设定值以及用户管网压力检测值则送入微处理器中，经内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号，当变频器频率达到最大时，若仍没有达到压力设定值，就进行变频/工频切换，同时重新给变频器输出一个转速控制信号。压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大。一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行。在专用变频器中，压力给定值可以通过变频器输入设定，也可以通过电位器送入；而微处理器控制系统的压力给定值也可通过相应的装置输入。允许用户在现场设置PID参数，通过调试选出最佳参数，达到系统稳定。一般情况下，PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节。然而，这种类型的闭环系统也存在着一些难以解决的问题，比如在系统的动态运行过程中，水泵电机会出现速度超调甚至不稳定的现象，对整个的供水设备具有很大的破坏性，还会减小整个系统的效率。这些问题只能通过选定最优的PID参数或修改PID算法来解决。在此不作详细的分析。

　　在水泵出口母管处装设压力变送器和流量变送器，将压力和流量信号送入控制器，控制器将接收到的信号进行比较、运算，并发出指令，对变频器进行控制。如果检测得管网压力大于设定值，则系统不起动，当管网压力小于设定值时，系统起动。变频器控制多台水泵时，先带1#泵软起动，此时1#泵处于变频调速运行状态，变频器根据收到的信号随时调整水泵的转速。当1#泵达到额定转速仍不能满足水压值要求时，则该水泵自动切换到工频状态下运行，变频器则控制2#水泵，使之软起动并运行。依此类推，直到管网压力满足压力设定要求。

　　恒压供水的基本思路是：采用电机调速装置控制水泵组调速运行，并自动调整水泵组的运行台数，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能的目的。系统任意设定供水压力值，其与反馈总管的实际压力值通过PID 调节后控制调速装置，以调节水泵机组的运行速度，从而调节系统的供水压力。该系统采用变频器和PLC进行联合控制。变频器采用PID恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。PLC对水泵的运行模式、机组的选择及机组的起动停止等进行控制。以上控制信号都为PLC的输入信号。

　　长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在这种供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

　　从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。因此将 PLC 及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求

　　根据反馈控制原理，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，现代控制和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控制来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可实现该算法，同时对PLC的编程来实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。

　　可编程控制器（PLC）是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方便等特点，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。

　　采用PLC作为控制器，硬件结构简单，成本低，系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。变频恒压供水系统是目前最先进，合理的节能供水系统，与传统的水塔、高位水箱、气压罐等供水方式比较，不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有很大优势。

　　加泵过程：当实际压力小于设定压力时，变频器启动后拖动1号水泵电机运行，待运行频率上升至50Hz，并经设定的泵切换判断时间后，1号泵切换到工频运行，而变频器则继续起动2号泵运行，同样的，待变频器工作频率上升至50Hz，并经设定的泵切换判断时间后，2号泵切换到工频运行，变频器起动3号泵变频运行，直到实际压力等于设定压力时，变频器拖动相应的水泵电机运行。

　　小湾水电站位于云南省凤庆县与南涧县交界的澜沧江上，系澜沧江中下游河段梯级开发的第二级电站和“龙头水库”。电站装机容量4200MW，装机6台，单机容量700MW。机组技术供水采用异步电机水泵供水方式，两台电机水泵，一台主用，一台备用，电机电源分别取自机组自由电a、b段，正常运行时当一台水泵出现故障或失电时，自动切换为另一台水泵运行。水泵电机额定功率355kW，额定电压380V，额定运行电流650A。为西门子产品。配套设置了ABB软启动器，型号为：PSTB720-600-70，用于水泵启停过程中实现限流启动的功能。

　　三相异步电动机全压启动时，启动电流很大，可达额定电流的3~7倍，甚至更大，对电网会有冲击，对电机也会有一定的损害。因此电机启动要选择降压限流启动，小湾电厂机组技术供水泵电机启动选择的是利用软启动器来实现电机的降压限流启动。所使用的软启动器是ABB公司生产的型号为PSTB720-600-70，额定电流设置为650A。软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装置。它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电流，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。此外，它还具有对电机的保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。但软启动器实现平滑启动的方法就是通过降低启动电压，减小启动转矩，这个过程对系统电压有一定的冲击，从实际运行的情况来看，我厂应用ABB软启动器时，设置限流设置为4，实际运行过程中，机组技术供水泵电机启动电流瞬时最大达2500A，启动电流较大，并且启动对我厂系统电压具有一定冲击。并且技术供水泵电机启动过程中会拉低厂用电系统电压，导致部分反应敏感的电源监视继电器故障报警。

　　因启动电流过大，并且启动过程拉低不能满足电厂黑启动条件。小湾电厂黑启动的电源来此于柴油发电机，型号：HDC1250，额定电压400V，功率1000kV，额定电流804.2A，经柴油发电机变压器将电压变至10kV后，接入我厂10kV厂用电系统。若使用软启动器，机组技术供水泵电机启动瞬间电流2500A，已远大于柴油发电机额定电流，无法满足黑启动要求。

　　软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。其主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 变频器把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

　　机组技术供水在水轮发电机开机条件中属于必要条件，若机组技术供水流量及压力达不到设定值，则机组开机失败，判定供水方式为水泵供水，经2秒钟时间判定，已发送启动机组技术供水令，确定机组技术供水启动后，判断机组技术供水各管路压力、流量是否达到额定值，若120秒后仍然达不到额定值，判定开机失败。基于以上考虑，变频器启动水泵电机应在判定时间内完成。在机组技术供水泵电机启动至额定转速设置为30秒，启动变变频器后，电机转速约30s内从0按固定斜率上升至1488转/分钟，变频器输出电流在约30s内从100A左右开始呈抛物线A附近；考虑要满足电厂黑启动要求，要小于柴油发电机额定电流，将变频器限制电流选择为800A；技术供水系统管路压力大于0.3MPa，停泵时容易产生水锤现象，因此在技术供水管路上加装水力止回阀来防止产生水锤，水力止回阀关闭时间约10s，故将变频器斜坡停车设置时间为10s，其具体参数见下表：

　　实际调试过程中，机组技术供水总管流量约30秒由0上升至1800m3/h（技术供水流量正常定值），3秒后稳定在2450 m3/h左右；机组机组供水总管压力约30秒由0上升至0.2Mpa（压力正常定值），3秒后稳定在0.34Mpa左右，即30s内流量压力满足机组开机流程，33秒机组技术供水达到稳定供水压力及流量。考虑到单台水泵或电机出现故障，在规定时间内机组技术供水流量及压力未能达到额定值，有充足的时间启动另外一台备用水泵，在机组技术供水控制柜内设定判定一台水泵启动失败的时间为80秒，为启动另外一台水泵留下足够时间。在实际调试技术供水系统时，实际情况与设计情况基本相同，机组技术供水泵启动过程中电流上升曲线很平缓，厂用电系统电压基本不变。电流上升曲线如下图所示。

　　连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载。虽然ACS-800-07变频器本身设置了滤波器，但仍然有部分谐波对厂用电系统造成污染。机组技术供水泵电机自更换变频器后，因谐波引起电动机附加发热，电机运行温度有所升高。

　　供水系统应用是一项十分复杂且重要的工作，供水系统包括很多方面，而PLC及变频器作为整个恒压变量供水系统中最重要的组成部分，其节能节水的水平和质量将直接影响着整个供水系统运行质量，关系着后期系统的使用周期和使用寿命。因此，探讨、分析PLC及变频器在恒压变量供水系统中的应用具有重要的作用和意义，只有工作人员重视工作中存在的问题，最终，才能认清工作存在问题的根本原因，并积极寻找解决在供水系统应用的应对对策，从而解决工作中存在的问题，提高整个PLC及变频器在供水系统中的应用水平和质量。

　　我们现在常用的供水方式主要有以下几种：供水公司通过市政管道供水、天台水池供水以及恒压供水等。其中市政管道供水主要是通过直接为用户提供水资源，这种方式不仅可以使居民用户用水更加方便，而且使用成本低，用户不需要自备设备。但这种方式同样也存在一定的缺陷，如压力不稳定、供水压力只能在六楼以下，只适合在农村和小型城镇居民楼中使用。天台水池供水主要适用于九层楼以下的建筑，如果超过这个标准，就会对建筑物造成一定的损伤。而且水池如果不进行定期或者不定期的清理，水中会产生细菌、微生物等对人体造成损害并且还容易造成二次污染。在一定的程度上该方法还具有电能消耗高等缺陷。相比较其他两种供水方式来说，恒压供水总的优点有：压力波动小、不存在二次污染、不需要建立天台水池，建筑物的承重力低，而且在节能、节水、节电的总量低于常规供水量的20%。通过以上的对比，我们可以看出恒压供水不仅在后期改造还是从节能节水节电方面都要优于其他两种供水方式，因此，在进行供水系统选择的时候，要优先选择恒压供水系统。

　　主要通过闭环控制系统对用户水管网的压力值进行实时监控，将监控的数据传输至PLC并与之前设定的压力值相对比，然后将运算的比值偏差进行对变频泵的速度以及定量泵的开始、停止进行控制，达到进行恒压变量的供水、节能节水的目的。在进行用闭环控制系统对用户的管网压力进行检测时，通常会出现这种情况，是当设定的压力值大于用户管网压力时，主要通过对变频泵的控制并且将其中一台水泵作变频运动，然后将用户管网的压力值与设定的压力值相一致。当用户的用水量较大，而使变频泵的转速达到最高值，设定压力值高于用户管网压力值，控制器会将变频泵转换为工频运动，等到变频器输出频率下降到最低值时，进行与另外一条水泵的连接，这时就有两台变量泵进行同时供水。如果在经过变量泵的调节之后，如果设定的压力值仍然大于设定值，这时控制器仍然采用之前的方法，进行变频泵切换，直到达到用户的满意为止。而当用户水量较小时，变量泵会根据实际的情况进行 压力调节，使用户管网的压力值始终保持在一个恒定值。因此，变频器在每台水泵的启动时都会进行监控，并且全部的机组会达到循环软启动的目的。当有外来的管网压力值达到了设定的压力值时，控制器会适当的将所有的水泵、变频泵、定量泵等进行停运，这时主要由外界管网进行向用户直接供水。当水量突然增大的时候，会出现“变频泵”低效率的现象，这时就需要开启水泵进行供水措施。主要的运行方式是PLC控制的交流接触器组会对控制水泵进行切换，同时PLC会对变频器的输出频率进行检测并且PLC会对变频器工作频率的情况进行判断，看其是否满足要求。通过判断的结果，决定是否要对接触器组进行增加或是减少水泵的工作数量的命令。

　　我们一般进行节能分析的时候，会用到流体力学的原理，进行对水泵流量与转速以及轴功率。电动机输出功率会随着流量减少和水泵转速下降而迅速下降。除此之外，还要考虑由于转速降低而引起的效率降低，以及其他附加控制装置的效率等因素造成的电动机输出功率下降。在使用时还需要注意变频器要与供水泵是配套设施，如果供水泵的功率低于变频器的频率，那么会导致控制精度降低、资源浪费，同时还会导致整套系统的功能都会降低。

　　综上所述，PLC及变频器在恒压变量供水系统中的应用存在一些问题，如变频器与供水泵不相匹配等。这些问题严重制约着PLC及变频器在恒压变量供水系统中应用工作的顺利开展，必须要解决这些问题，才能提高工程施工质量。由PLC、变频器、传感器以及水泵组成的闭环控制系统，可以把供水系统的压力值控制在恒定的范围之内，并且还具有节能高效、稳定性强、操作方式简单等优点。并且随着科学技术的不断发展，PLC及变频器会在更多的工业领域或是其他的领域得到应用。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指征建议，为提高我国PLC及变频器在恒压变量供水系统中应用工作做出重要的贡献。

　　随着我国经济的发展，节能环保理念深入人心，随着城市化的不断推进，我国供水系统覆盖面越来越广，采用传统的供水系统浪费的能源也越来越多。因此，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、适应不同领域的恒压供水系统已成为必然趋势。变频恒压供水系统采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输，然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，该变频恒压供水方式可运用于各种供水控制系统中，具有稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。

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　　PLC与变频器控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网压力变化时保证末端用户的用水需求并达到节能的目的。变频恒压供水系统框图如图1所示。当用户用水量增大时，导致管网的压力减小，压力传感器将电压信号反馈给PLC。PLC内置的PID控制器计算后调节变频器的频率，频率增大，水泵的旋转速度加快，从而达到一个新的平衡状态；当用户用水量减小时，同理也可以达到平衡状态。该系统包含PLC主机、模拟量输入输出扩展模块、变频器、压力变送器、水泵等，其中PLC具有功能完善、编程简单、抗干扰能力强、体积小、能耗低、性能价格比高等优点。

　　在此变频调速恒压供水系统中，主要由PLC、变频调速器、软启动器（定速机泵采用的）、压力变送器、水位传感器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。此外还包括空气开关、断路器、接触器和中间继电器等系统保护电器，实现对变频器、电机和PLC的有效保护，以及对电机的切换控制。PLC和变频器作为系统控制的核心，根据供水实际压力与压力设定值的偏差变化情况，自动控制给水泵的投人台数和电机转速，实现闭环自动调节恒压供水。其中控制参量的PID算法可消除控制参量的静态误差、突变、滞后等现象，缩短系统稳定的时间。

　　变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网。信号检测包括水压信号、液位信号和报警信号；水压信号是用户管网的水压值欧亚体育，它是恒压供水控制的主要反馈信号；液位信号是反映水泵的进水水源是否充足，信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵因空抽而损坏；报警信号反映系统是否正常运行，即：水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。控制系统包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心；供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。变频器是对水泵进行转速控制的单元，变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。电控设备是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成，用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中切换等工作。

　　现采用采用三菱 PLC 和变频器 FR-A500设计了一种恒压供水控制系统，可有效减轻工作人员的负担，提高供水系统的优化运行程度，增强系统抗干扰性，避免硬件老化损失。供水设备控制 1～3 台水泵，在这些水泵中，只有一台变频泵。当供水设备供电开始时，先启动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率就稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成 4～20mA 的标准信号送入 PLC 的 A/D 单元， 经 PLC 的 PID 调节器运算与给定的压力进行比较，得出一比较参数从 PLC 的 D/A 单元送出，送给变频器，由变频器控制电机转速，调节系统的供水量，使供水管网的压力保持在给定的压力上，当用水量超过一台泵的供水量时，通过 PLC 控制切换电路进行加泵。系统运行过程中，PLC 根据管网压力的上、下限信号和变频器的运行频率是否到达上限的信号，由程序判断是否要启动第 2 台泵（或第 3 台泵）。当变频器运行频率达到频率上限值，并保持一段时间，PLC 则会将当前变频运行泵切换为工频运行，并迅速启动下一台泵变频运行。压力设定信号和压力反馈信号输入PLC 后，经 PLC 内部 PID 控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。此时 PID 会继续通过送来的检测信号进行分析、计算、判断，进一步控制变频器的运行频率，使管网压力保持在压力设定值的上、下限偏差范围之内。根据用水量的大小由PLC 控制工作泵的数量增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。其中可编程序控制器（简称 PLC）不但可以进行逻辑控制，而且可以进行过程控制，具有通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统，实现系统的高性价比和高效能运作。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，从而使管网水压保持恒定。触摸屏为系统提供参数设定以满足用户需求的水压期望值；压力传感器的作用是检测管网水压。总之，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。

　　系统开始供水时，变频运行，三台泵根据恒压的需要，采取先开先停的原则接入和退出；在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过几十小时，则要切换到下一台泵，可避免某一台泵长时间工作。三台泵的启动要延时，以减小电流过大时对其他用电设备的冲击。要有完整的报警功能。对电机的操作有手动和自动两种功能。

　　恒压供水系统是近年来随着现代工业的发展和城市建设规模的扩大、建设档次的提高而被广泛运用的一项重要系统工程。在变频恒压供水系统诞生以前，就出现了高位水箱稳压、浮子连杆控制水位的高位水箱系统，以及靠气压控制水压的气压供水系统等恒压供水系统。但是原来的高位水箱供水系统、气压供水系统等因反应慢、供水量小等局限性，已经远远不能满足现代工业发展和高档次住宅小区供水质量的需求，而变频恒压供水系统能够顺利解决这些问题，很好地满足较高的供水质量要求。变频恒压供水装置，在工业上的应用能够降耗节能，提高生产效率，提高产品质量；在民用住宅区供水方面解决了小区用水高峰时段集中用水带来的水压不够或不稳定的问题，起到方便居民生活、提高小区居民生活质量的作用。本文试从推广和普及变频恒压供水系统技术方面做一下实践的探讨。

　　变频恒压供水控制系统是建立在现代计算机技术基础上的，因此它与传统的机械恒压控制系统有着本质的区别，这正是本文介绍和探讨的主要意义所在。变频恒压供水系统的控制设备为闭环控制系统，设备通过对用户需要的压力进行实时采样，并与设定值比较，根据偏差来控制变频泵的速度及定量泵的启、停，实现自动恒压的控制方式，从而更好地达到节能、节水变频供水、保证供水质量的目的。系统设备结构如下图所示：

　　本系统主要是针对需要供水压力稳定的供水系统而专项设计的。设备投运后，控制器通过压力传感器检测，PLC输出控制信号启动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使供水管网压力与设定压力值相等。如用水量较大，则变频器输出频率为50Hz，变频泵转速达到最高。供水管网压力如还低于设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变量泵同时供水。经过变量泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续启动另外一台水泵作变频运行，直至满足用水要求。

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　　当用水量较少，变量泵转速降到设定的下限频率时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变量泵转速，使管网压力始终保持恒定。这样，每台水泵的启动均经变频器控制，全部机组实现循环软启动，即每台水泵的启动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开泵先停，先停泵先开”的原则。当外来管网压力高于设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向供水管网供水。

　　以上控制方式适用于2．2KW～37KW泵类电机的控制，大于37KW泵类电机的控制宜采用变频泵固定控制方式，即其中一台固定为变频调速泵，其他泵为定量泵，定量泵采用星三角启动、自耦降压启动或软启动器启动方式。在多台大功率水泵恒压控制系统中，为了使水压、流量的可调范围更宽，防止出现水压震荡，一般采用双变频器在线调速控制方式控制或者采用一控一方式控制。在水压要求较高的多台大功率水泵恒压控制系统中，建议采用一控一的控制方案。

　　随着计算机技术、LCD显示技术和触控技术的发展，人机界面（HMI）在各领域的应用亦正趋向于广泛化。人机界面（HMI）可显示工艺流程、工艺参数和设备状态，HMI图形界面友好，只需直接对图标进行手动点触操作，因此操作简便灵活。在恒压供水节能控制柜中，增加了人机界面（HMI）作为可选件。目前，市场上已经有技术比较成熟的人机界面（HMI）产品出售，投建变频恒压供水系统时，只需购买现成的人机界面（HMI）产品进行安装和数据设置即可。

　　（2）当系统选择自动工作时，PLC（可编程逻辑控制器）控制系统可根据上一次停止前状态进行记录，当在停止状态下重新启动系统时，控制系统根据系统状态的记录启动电机，例如：上一次停止时，1号电机工作在变频状态，此时不管另外三台电机是运行还是停止，当下一次启动时，都是先变频启动一号电机，如变频器频率达到49．5Hz而仍不能满足管网的压力需求时，则先把变频器频率降至30Hz，然后断开一号电机变频运行，并同时把一号电机投入工频运行，并变频启动二号电机，如二号电机运行频率达到49．5Hz而仍不能满足管网的压力需求时，以刚才的工作情况类推；

　　（3）当系统需要减泵时，例如：当前一、二号电机都工作在工频状态，三号电机工作在变频状态，此时需要减泵运行，则先把三号电机的运行频率升高至49．5Hz，然后依“先开先停”的原则把二号（或一号）工频状态电机直接停止，PLC会根据压力反馈信号自动计算后输出给变频器，使变频器自动调节三号电机的运行频率使管网压力恒定，如仍需减泵则根据刚才的减泵流程类推；

　　如果系统出现变频故障、接触器故障、过电流故障等情况时，人机界面（HMI）在监控画面中会以色彩变化、闪烁报警灯、文字、跑马灯的形式给出故障指示，还可以文字形式给出故障原因、故障点说明及故障排除解析。操作维护人员如需查询具体故障信息，可在故障查询画面中查询，再根据故障信息作出具体的排障措施。同时，当某一故障出现时，系统也可根据设备工作及设备安全情况作出相应的自动保护措施。

　　供水控制系统是以某一参量作为控制目标，对水泵电机进行控制，来改变水泵的运行工况（如流量、扬程、功率），以达到用户的需求。根据控制目标对象的不同可分为压力控制、液位控制及其他特殊控制方式，如温度、差压和温差。从电控系统类型上分有普通继电控制型和变频调速控制型，普通继电型通过控制交流接触器控制水泵电机的起停，水泵电机处于工频及停止状态，起动方式有软起动、自耦变压器起动或直接起动。变频调速系统对电机的转速实现无级调速，根据用水量大小进行变速供水，保证出水压力不变。既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。高层建筑及生活小区供水系统的发展方向是采用现代检测技术、计算机控制技术、交流调速技术，形成组合化、模块化、可编程、可通信的系统。主要组成部分是PLC系统、PID控制器、变频器、电机、水泵、压力传感器。

　　水池-水泵（恒压变频或气压罐）-管网系统-用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定。这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。

　　方案一：采用PLC控制系统实现PID控制和多泵循环功能，变频器仅做基本调速。在工作过程中，压力传感器将管网水压变换为电压或电流信号，经模拟量输入通道输入PLC系统，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，由PLC将速度命令发送至变频器，调节水泵电机的频率，PLC与变频器间采用Modbus通信、0-10V/4-20mA控制。

　　减泵过程，当运行时的压力（或）流量大于设定值时，需要减泵降速运行，变频电机开始减速，若减速到某转速时，满足要求，系统维持状态继续运行，若变频电机速度停止运行后，压力（或流量）仍大于设定值，系统将停止一台工频电机，若此时压力（或流量）仍大于设定值，则系统再停止一台工频电机，若此时压力或（流量）小于设定值时，将一台电机启动工作于变频状态，保持若干电机工频运行、一台电机变频运行的模式。