在生產、生活的實際中，用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。

圖3-1    住宅區恒壓供水示意圖

恒壓供水是指在供水網中用水量發生變化時，出水口壓力保持不變的供水方式。供水網系出口壓力值是根據用戶需求確定的。傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施實現的。隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛的應用，利用內部包含用PID調節器、單片機、PLC等器件有機結合的供水專用變頻器構成控制系統，調節水泵輸出流量，以實現恒壓供水。變頻器恒壓供水，如上圖3-1所示。

利用變頻器內部的PID調節功能，如圖3-2，目標信號SP是一個與壓力的控制目標相對應的值，通常用百分數表示。反饋信號PV是壓力變送器PS反饋回來的信號，該信號是一個反映實際壓力的信號。SP和PV兩者是相減的，其合成信號MV＝（SP-PV)，經過PID調節處理后得到頻率給定信號，決定變頻器的輸出頻率f。當用水流量減小時，供水能力Q_G＞用水流量Q_U，則供水壓力上升，PV↑，合成信號（SP-PV)↓，變頻器輸出頻率f↓，電動機轉速n↓，供水能力Q_G↓直至壓力大小回復到目標值，供水能力與用水流量重新平衡（Q_G=Q_U)時為止；反之，當用水流量增加，使Q_G<Q_U時，則PV↓→MV＝（SP-PV)↑→f↑→n↑→Q_G↑→Q_G=Q_U，又達到新的平衡。

圖3-2　變頻器PID調節功能

實際應用中，單臺水泵供水一般不能滿足用水要求，常用多泵單變頻恒壓供水。即是“一拖多”控制方案，這種多臺泵調速的方式，系統通過計算判定目前是否已達到設定壓力，決定是否增加（投入）或減少（撤出）水泵。即當一臺水泵工作頻率達到最高頻率時，若管網水壓仍達不到預設水壓，則將此臺泵切換到工頻運行，變頻器將自動起動第二臺水泵，控制其變頻運行。此后，如壓力仍然達不到要求，則將該泵又切換至工頻，變頻器起動第三臺泵，直到滿足設定壓力要求為止（最多可控制6臺水泵）。反之，若管網水壓大于預設水壓，控制器控制變頻器頻率降低，使變頻泵轉速降低，當頻率低于下限時自動切掉一臺工頻泵或此變頻泵，始終使管網水壓保持恒定。

由于“一拖多”變頻恒壓供水系統需要涉及壓力PID控制、工頻和變頻的邏輯切換、輪換控制、巡檢控制等功能，所以需要由專門的程序控制來實現。目前流行的“一拖多”變頻供水系統主要由以下3種方式：

此系統以多臺水泵并聯供水，系統設定一個恒定的壓力值，當用水量變化而產生管網壓力的變化時，通過遠傳壓力表，將管網壓力反饋給PI控制器，通過PI控制器調整變頻器的輸出頻率，調節泵的轉速以保持恒壓供水；如不能滿足供水要求時，則變頻器將控制多臺變頻泵和工頻泵的起停而達到恒壓變量供水。微機控制變頻恒壓供水系統如圖3-3所示。

圖3-3　微機控制變頻恒壓供水系統

 

PLC控制的恒壓變頻供水系統與微機控制器類似，所不同的是PLC除了完成供水控制外，還可以完成其他的特殊功能，具有更大的靈活性。

采用供水專用的變頻器，不需另外配置供水系統的控制，就可完成對由2～6臺水泵組成的供水系統的控制，使用相當方便；供水專用變頻器=普通變頻器+PLC，是集供水控制和供水管理一體化的系統，其內置供水專用PID調節器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環控制系統，傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口，而壓力設定既可以使用變頻器的鍵盤設定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入；這些產品將PID調節器及簡易的可編程序控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的供水專用變頻器，由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程序控制器存儲容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。

西門子的ＭＭ430變頻器供水專用變頻器框圖如圖3-4所示。

 

 

圖3-4　ＭＭ430變頻器供水框圖

 

由于我院實驗室中的變頻器為通用型，沒有多泵切換功能，故我們采用PLC控制變頻恒壓供水系統。變頻器采用MM440，PLC采用S7-200，實現“一拖二”方式。

在加泵過程中,變頻器驅動電動機達到額定轉速時，變頻器內部輸出繼電器動作，作為一個控制信號將電動機切換到工頻電網直接供電運行，而變頻器再去啟動其他的電動機。以達到電動機軟啟動和節能的目的，切換過程由PLC控制實現。減泵時，則由PLC控制直接停止工頻運行的電動機。采用“啟先�！狈绞�。

以電動機M1為例，首先將KM2閉合，M1由變頻器恒流啟動，當電動機到達50Hz同步轉速時，變頻器MM440內部輸出繼電器動作，送出一個開關信號給PLC，由PLC控制KM2斷開，KM1吸合，電動機M1轉由電網供電。以此類推。變頻器繼續啟動其他電動機。如果某臺電動機需要調速，則可安排到最后啟動，不再切換至電網供電，而由變頻器驅動調速。

    在本系統的切換中，對變頻器的保護是切換控制可靠運行的關鍵。系統中可采用硬件和軟件的雙重連鎖保護。啟動過程中，必須保證每臺電動機由零功率開始升速。為減少電流沖擊，必須在達到50Hz時才可切換至電網。KM2斷開前，必須首先保證變頻器沒有輸出，KM2斷開后，才能閉合KM1，KM1和KM2不可同時閉合。PLC控制程序必須有軟件連鎖。

MM440變頻器有兩個模擬輸入端ADC1和ADC2，可讓一個模擬輸入端用作反饋信號輸入，另一個模擬輸入端用作給定PID的目標值，這樣使得PID的目標值能平滑地隨意設定，操作很方便。模擬輸入端ADC2接入反饋信號0～10V，同時也把反饋信號送給S7-200的模擬輸入端；給定的PID目標值由ADC1端通過S7-200的模擬輸出輸給定。因此，這里PLC采用S7-200  CPU224RLY+EM231+EM232。

觸摸屏采用TP170B，直接與S7-200進行點對點連接，通過觸摸屏能直接給PLC啟/停控制名令以及給M440變頻器提供PID的目標值，同時能直接顯示網管的壓力值。