摘要：针对药品研发中试企业用水量具有间断性的特征，设计了一种变频恒压供水系统。该系统利用PLC的逻辑控制与自诊断分析功能，实现了全自动恒压供水，水泵电机根据测量压力均可变频和工频供电，相互备用。实际运行表明，该系统运行稳定性强，控制灵活，安全可靠。

关键词：节能;变频调速;PID应用宏;PLC控制;逻辑控制

0 引言

药品研发中试企业用水量具有间断性特征，有生产需求时用水量大，在药品研发小试阶段用水量较小，因此，离心水泵必须通过调整转速来满足水压稳定性的需求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体，可实现对供水系统的集中管理与监控，并具有良好的节能效果。

1 水泵变频调速节能原理

水泵调速的H-Q曲线如图1所示，水泵运行工况点D是泵的特性曲线与管路阻力曲线的交点。当用阀门控制流量时，若要减小流量，则需关小阀门开度，使阀门摩擦阻力变大，阻力曲线从R1移到R2，扬程则从H0上升到H1，流量从QN减小到Q1，运行工况点从D点移到A点。

调速控制时，阻力曲线不变，泵的特性取决于转速，如果将转速由nN变为n1，运行工况点从D点移到C点，扬程从H0降到H3，流量从QN减小到Q1，则泵在A点、C点工况运行时的轴功率分别为：

式中：PA、PC为泵在工况点A、C的轴功率（kW）;Q1为工况点流量（m3/s）;H1、H3为工况点扬程（m）;ρ为输出介质单位体积质量（kg/m3）;η为工况点的泵效率（%）。

将PA与PC相减得出使用调速控制时节省的功率：

水泵采用调速控制方式时，若所需流量为额定流量的80%，则轴功率仅为额定轴功率的51.2%，节能效果相当显著。变频恒压供水系统的优点是节约电能，节能量通常在10%～40%，流量越小，节能效果越明显[1]。

2 控制系统组成

本系统供水泵采用两用一备方式，泵功率15 kW，Q=162 m3/s，H=42 m，泵前装有9.5 m×3 m×2.5 m的生产水箱，企业用水量经常出现间断性、阶梯性特征，且市政供水压力偏高，为保证生产用水的安全性，避免系统管网压力过高，本设计采用变频器一拖三运行方式，每台泵电机均可工作在变频/工频模式下，在主回路控制中，每台电机分别通过接触器与工频电源和变频器输出电源连接，工频回路装有过热继电器，工频和变频控制回路在硬件和软件方面互锁，当任意一台电机出现故障，PLC系统经过逻辑分析自动投入备用供电回路，确保管网供水压力稳定，安全供水。

本系统采用经典的PLC控制的变频调速系统，PLC选用西门子的CPU226CN小型机，本机集成24点DI输入、16点DO输出，PLC的I/O端口分配表如表1所示。变频器选用ABB的ACS510系列，其程序参数集成了恒压供水、冷却风机、地铁和隧道通风等典型应用，ACS510系列端子接线表如表2所示。本系统还包括数显压力变送器、液位计、断路器、接触器、热继电器等常规电气元件，可实现手动状态的开环控制和自动状态下的恒压闭环控制。PLC完成水泵的启停、控制点采集、逻辑控制、报警等功能。

ABB变频器具有内置的PID功能模块。变频调速系统限制电机启动电流，避免对电网造成冲击，可消除泵启动和停机时的水锤效应。但变频调速范围应在离心泵特征曲线（H-Q）的最佳工作范围内，即频率下调10%～30%才能体现出较好的节能效益，再往下调节频率，就会出现水泵运转而不出水的工况，即超出了离心泵的极限工作范围[2]。ACS510系列变频器能很好地解决恒压供水的PID算法控制问题。

3 恒压控制过程及实现

恒压控制充分利用了ABB的ACS510系列变频器内置的PID宏控制参数，宏是一组预先定义的参数集，且所有宏参数将自动设置成默认值，可减少调试时间，降低出错的可能性，通过必要参数的设置，可以有效地实现恒压供水功能[3]。本系统变频器的主要参数设置如表3所示。

系统在泵出口水平总管道上安装数显压力变送器，量程范围为0～2.5 MPa，当水泵自动运行时，压力变送器的4～20 mA信号进入ABB变频器的AI1输入端，变频器根据给定值和测量值的偏差及偏差变化率，经PID运算后，调整变频器輸出频率，根据公式n=60f/p（f为频率，p为极对数），改变异步电机定子旋转磁场的频率，直接控制水泵电机的转速，改变水泵的H-Q特征值，从而调整水泵出口压力。

逻辑控制方面，假定1#泵运行，当用水量增大时，管网压力下降，变频器的PID自动调节使其频率输出增大，当频率输出值达到49.5 Hz时，根据变频器参数1401、3201、3203的设置，变频器DO1输出值为“ON”，PLC根据I0.0为“1”发出增泵指令，PLC延时10 s后，该台水泵自动切换至工频运行模式，实现无扰动切换，此时变频器停止工作，自由停车至0频率值，延时5 s后启动2#泵变频运行。

当用水量减少，管网压力升高至0.35 MPa时，根据变频器参数1402、3204、3206的设置，变频器DO2输出值为“ON”，PLC根据I0.1为“1”发出减泵指令，1#工频泵停止运行。

随着用水量减少，变频器工作在低频段，根据变频器参数4023、4024的设置，当频率低于30 Hz时，变频器启动睡眠功能，并延时60 s后变频器停止工作，避免浪费电能。

若用水量增大或持续少量用水，管网压力会持续降低，根据变频器参数4025、4026的设置，当压力下降到0.25 MPa时，经过延时0.5 s后，变频器开始启动重新工作，保证管网压力控制在0.3 MPa左右。

变频泵工作的轮换按1#、2#、3#水泵顺序循环工作，3台泵自动循环运行，互为备用，使泵组设备均衡使用，避免单台泵运行过度损耗。若此时有1台泵组发生故障，表现为开关跳闸、热继电器动作，则第3台泵根据控制策略需要，自动投入运行，若变频器发生故障，系统会发出声光报警，提示岗位人员切换手动状态，水泵将在工频状态下运行，在紧急情况下可打开生产水箱的旁通阀，保证持续供水。

为避免加泵、减泵切换过程中压力出现波动，或用水负荷大幅度波动造成调节震荡，在泵出口连接有稳压罐，能有效保证供水压力的稳定性。

当生产水箱的液位低于0.25 m时，PLC扫描到低水位信号，系统将停机;当液位高于2.3 m时，PLC扫描到高水位信号，系统发出声光报警。

4 系统程序结构

软件采用西门子的STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9编程软件，PLC程序主要由MAIN初始化主程序以及运行状态、增减泵程序、逻辑控制、报警等子程序组成，模块化程序设计增强了程序的阅读性、可靠性，便于系统调试和程序移植。

5 结语

变频恒压供水系统保证了生产供水的稳定性和可靠性，具有很强的自诊断能力，降低了故障发生的概率，减轻了工人的劳动强度，节水、节电效果显著，取得了良好的经济效益和社会效益。

[参考文献]

[1] 刘宜，方桂笋，李晨晨，等.基于PLC的泵站供水控制系统的设计[J].排灌机械，2007（6）：17-20.

[2] 孙小权，秦春节，何喜玲.基于PLC的变频恒压供水控制系统优化设计[J].自动化仪表，2007（1）：47-48.

[3] 北京ABB电气传动系统有限公司.ABB变频器ACS 510用户手册[Z].

收稿日期：2020-05-07

作者简介：胡浩（1972—），男，辽宁本溪人，自动化工程师，研究方向：自动控制系统、DCS控制系统、PLC控制现场应用。