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文献综述

电气工程及其自动化

基于PLC控制的变频恒压供水系统设计

1．前言

水是万物之源，是生活和生产中不可缺少的组成部分，我国是水资源和电能
短缺的国家，节水节能是现如今迫在眉睫的大事。变频恒压供水设备是一种新型
的节能供水设备。变频恒压供水设备系运用当今最先进的微电脑控制技术，将变
频调速器与电机水泵组合而成的机电一体化高科技节能供水装置。变频恒压供水
设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机自动控制变频
器的输出频率从而调节水泵电机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水
系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用
水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。这样就保证了整个用户管网随时都有充
足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况变化而变化）。
变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了有明显的节能效果
外还具有操作方便、容易、维护量小的特点，变频器的软启动功能也减少了对电
网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。随着社会
主义市场经济的发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加
上目前能源紧缺，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、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势[1]。
2.1变频器在恒压供水方面的应用

2.1.1变频恒压供水系统组成

变频器就是利用电力半导体器件的通、断作用将固定频率、电压的交流电变换为

频率、电压都连续可调的交流电的装置[2]。变频恒压供水系统通常是由水源、离心泵

（主泵+休眠泵）、压力传感器、PID调节器、变频器（主泵+休眠泵）、管网组成。工
作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变

化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PID调节器，PID调节器对比设定控制压

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力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制
压力一致。

2.2.2变频恒压供水系统的必要性

用户用水量一般是动态的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和
供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少
而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水
多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压
力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若
供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所
以，用水区域采用恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。
随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水
控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额
定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延
长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运
行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节
省人力，最终达到高效率的运行目的。

2.2.3恒压供水的变频应用方式

通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小
时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵
配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通

过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，
就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程
序较复杂，是未来的发展方向。

2.2.4PID控制原理

根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒
值比较，形成闭环系统。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[3]。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现

在控制和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来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同

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时对PLC的编程来时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。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送
器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个

大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现

对控制系统调节作用[4]。

2.2.5变频控制