基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

在此供水系统中，控制对象是水泵，控制目标是保持管网水压恒定，控制方法是压力信号的反馈闭环控制。

3.2 变频恒压供水常用实现方法介绍

在目前的恒压供述系统中，常采用以下方法实现。 3.2.1 PID控制法

PID控制算法简单并且实用，已成为标准算法。对于小型或用水量变化不大的供水系统，PID控制是常用的控制方式。一般的变频器均带有PID控制单元，仅需将反馈量接入到变频器的反馈端子或PLC的输入端并设定好参数，即可投入使用。目前国内多数的供水系统采用这种控制方式。但是供水系统是本质非线性系统，当用水量变化较大时，系统的运行状态变化范围也较大，那么固定参数的PID控制是无法适应这种变化的，因而控制品质将变差，甚至造成系统不稳定。 3.2.2 模糊控制法

模糊控制是处理复杂非线性系统的有效方法之一，已成为供水行业研究的热点。但是常规模糊控制的稳态响应不及PID控制，为此有不少文献中将模糊控制与PID控制结合起来形成恒压供水的自整定模糊PID控制，改善了供水系统的静动态特性。 3.2.3 自适应控制法

除了模糊控制之外，自适应控制也是处理被控对象的时变性和不确定性的重要方法。国外有文献针对供水系统进行了自适应控制的实验研究。主要方法是采用自校正调节器(STR)。其原理框图如图3.2所示。

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监督信号估计参数设计器估计器参考输入（水压设定值）控制器输入对象输出（水压值）

图3.2 自校正调节器原理框图

图中输出是水压值，参考输入是水压设定值。这类自适应控制系统的基本思想是在系统中加入对象参数的递推估计器，并根据对象估计参数设计调节器参数。系统由内环和外环两个环路组成，内环包括被控对象和一个普通的线性反馈调节器，该调节器的参数由外环调节，外环则由一个递推估计器和一个设计机构组成。系统的过程建模和控制的设计都是自动进行，每个采样周期都更新一次。但是控制算法采用的是对象的局部线性模型，要在不同条件下都能获得高性能指标是困难的。

由于PID控制技术已非常成熟，并且能够满足楼宇供水的技术要求，因此，在此设计中，我采用此方法来实现恒压供水自动控制系统。

3.3 变频恒压供水系统控制方式简介

本系统采用全自动变频恒压运行和工频运行两种全自动控制方式（参照图3.1）。 3.3.1 全自动变频恒压控制方式

系统正常工作时，我们采用全自动变频恒压控制方式。系统投入时，一般用一至四台泵供水即可满足水压要求。我们假设首先用1号泵供水，开始用变频运行。如果供水管网欠压，其转速由零逐步增加，管网水压升高。若用水量大，则管网水压达不到设定值，经过一定的延时后，将1号泵由变频运行切换为工频运行，同时启动2号泵变频，

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通过压力变送器的压力信号反馈控制转速，使得转速动态跟随供水压力的变化。如果管网水压仍低于设定值，先延时切除2号泵的变频运行，将2号泵转换为工频运行，同时将3号泵启动为变频运行。如此递推，直到系统有2台泵运行在工频态，一台泵运行在变频态，此时系统一定能满足水压要求。在用水量减少时(假设此时泵1， 2都工频运行)，由于供水管网积水蓄压，管网水压升高，按照“先投先停”的原则，控制系统使1号泵工频切换为变频运行，通过PID的调节作用，变频器使1号泵转速下降。当转速下降到下限值时，若仍不能使管网水压下降到设定值，则控制系统将运行在工频态的2号泵停止运行，同时将处于变频态的1号泵的供电频率迅速升至工频，再通过反馈调整变频器的频率，若调整至下限频率时，管网水压仍高于设定值，则又将3号泵停止运行，同样将1号泵的供电频率迅速升至工频。仅仅由1号泵运行在变频态，继续调节水压，逐渐使其稳定在设定值。依次类推，最后一直到全部泵都停止运行。

实际上，系统的大部分时间应该是工作在1变频的状态，其它泵要么工频运行，要么停止，仅仅由一台泵微调转速跟随供水管网压力的变化。在以上的控制流程中，水泵的启动和运行都需考虑延时的问题，一方面防止发生切换振荡，另一方面保证水泵的顺序投入和切除。

管网水压恒压控制采用PID闭环反馈调节，管网水压信号通过压力变送器转化为4-20mA的电流信号，经PLC送入给变频器，通过PID调节等一系列处理后去控制水泵转速，从而调节供水管网水压。 3.3.2 全自动工频运行方式

为实现在变频器出现故障情况下的全自动供水方案，本系统采用保持管网水压为近似恒压的水泵工频运行方式。特别需要说明的是该方案只是一种后备方案，系统绝大部分时间都应该运行在变频恒压运行方式。所谓工频运行方式，当然是全部泵都工作在工频50Hz下，转速恒定，且变频器不发生作用，不存在变频恒压时变频调速。没有了变频

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微调，该方式下的恒压只是近似恒压。

该方式下的水泵的投入和切除顺序和变频恒压调速运行方式大致相同，只是完全工作在工频下，按照“先投先停，先停先投”的原则进行切换，这里不再详细叙述。该方式下，系统的所有动作和变频器无关，完全是由PLC根据输入的压力信号在PLC内部进行比较处理后，直接给控制工频运行的四个交流接触器赋ON或者OFF信号，从而控制四台泵的投入或切除。

3.4 恒压供水系统总体概况介绍

在本系统中，要求设计的是一个泵站的变频调速系统，使得水泵转速跟随用水量的变化而变化，实现变频、恒压、无级调速的供水系统，从而达到节能、节水、充分利用设备、高可靠性、高自动化程度的目的。系统组成如图3.3所示，供水系统由四台泵组成，由一台可编程控制器和一台变频器切换控制任一台电机调速。水泵可变供电回路由工频回路和变频器提供的变频回路组成，通过PLC和变频器将各台水泵按照一定的规律顺序投入运行和顺序停止运行，使整个的供水回路处于最佳的配置状态。变频器则具体地微调当前水泵的转速，使转速变化跟随管网压力变化(实际上是跟随用户用水量的变化)。工控机是可编程控制部分，它负责对整个系统进行监控，操作员如果有什么控制要求，比如参数设置、手启泵、手停泵等，也可以通过工控机传递给PLC[14]。

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