城市恒压供水系统
一、前言
1、供水系统概述
城市规模的不断扩大，高层建筑的不断增长，对于高层的用户来说，在白天或者用水高峰时供水系统的电动机负荷最大，常常需要满负荷或超负荷运行，而在晚上或休闲是,所需水量减少很多，但是电动机依然处于满负荷运行状态,这样既浪费了大量的资源，对电动机的损耗也较大。所以需要根据不同的需求条件来调节电动机的转速以实现恒压供水。
在供水系统中，当用水量需要变化时，传统的调节方法是通过人工改变阀门的开度来调整, 但是此类方法无法对供水管道内的压力和水位变化做出及时、恰当的反应，往往会造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。因此无法满足城市供水系统的要求。
采用变频调速的供水系统可以有效解决以上的问题。根据用水量的大小，控制水泵的转速，即用水量增大时，调高变频，使水泵转速升高，增加供水量。当用水量超过一台水泵的供水
变频器恒压供水
量时启动新的水泵以增加供水量，当用水量减少时，使水泵转速降低或减少投入运行的水泵数量，减少供水量。
2、供水系统功能
城市供水系统的主要功能是在用水量不断变化的情况下，维持管内的压力在一定范围内,既能满足用水的需求,又能最大程度节约能源,延长设备寿命。变频供水的控制器经历了从继电器-接触器,到单片机，再到PLC。而变频器也从多端速度控制、模拟量输入控制发展到专用变频器，为实现城市供水系统简单、高效、低能耗的功能,并且实现自动化的控制过程，采用PLC作为核心控制器是个较好的方案。
PLC具有体积小、设计周期短、数据处理和通信方便、易于维护和操作、明显降低成本等优点，可满足城市供水系统的控制要求.除此以外，PLC作为城市供水控制系统使设计过程变得更加简单,可实现的功能变得更多。由于PLC的CPU强大的网络通信能力，是城市供水系统的数据传输与通信变得可能,并且也可以实现其远程监控.
利用PLC作为控制器的城市供水系统主要涉及两个方面：一是信号输入;二是控制输出信号。
（1）信号输入
城市供水系统信号输入检测方面主要涉及两类信号的检测,主要包括:按钮的输入检测和管内压力的输入检测.
按钮输入检测大多数为人工方式控制的输入检测,主要有自动按钮、手动按钮、水泵工频启动按钮、水泵变频运行按钮，以及变频加、减按钮等.
管内压力输入按钮:管内压力输入为模拟量输入，通过压力传感器安置于适当的位置上，将检测值反馈到PLC中，通过运算输出控制水泵的转速信号，当压力值偏低时，供水量不够，导致用户无法正常用水，因此需要增加水泵转速以增加供水量,当压力值偏高时，导致管内压力过大，用户用水较少,容易对管道造成损害，因此减少水泵转速以减少供水量，最终是管内的水压保持在一定的范围内。
（2）控制输出信号
信号输出部分主要包括两个方面，一个是数字量输出，即各类设备的接触器，另一个是通信信号，即通过RS—485来控制变频器。
数字量输出控制各类设备的启动和停止,包括：所有水泵的工频运行和变频运行等接触器,以及进水阀门的开启与关闭.
通信输出通过PLC中PID运算后的数据转换成标准值,该控制信号输入到变频器的通信端口上，改变变频器的输出频率，从而控制水泵的转速，最后达到控制水管压力的要求.
二、总体设计方案
恒压供水控制系统的设计主要包括两个方面：一方面是机械结构的设计，另一方面是PLC电气控制方面的设计，机械结构是控制系统的基础，是实现控制功能的前提；PLC电气控制系统是实现控制功能的核心部分。
1、主要组成部分
恒压供水系统的组成部分比较简单,主要是一些管道、水泵、变频器等，以及其他辅助设备构成,其机械主要组成部分如下图所示：
          机械组成部分示意图
（1）水压变化：作为系统的控制输入量,能否准确采集该信号决定控制系统的精度及可靠性；
（2）控制器：是整个控制系统的核心，通过对外界输入状态进行检测,输出控制量，对外界输入的数据进行运算处理后，输出相应的控制量.例如单片机、可编程逻辑控制器、计算机等；
（3）调速器:作为核心控制器的后续控制单元，对终端设备进行控制，最终达到控制要求，例如多段调速、变频器调速等;
（4）水泵：供水系统的执行机构，通过调速器控制其电动机的转速,最后达到控制水泵流量大小的要求.
2、电气控制系统
电气控制系统主要包括操作面板、电气控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入,然后根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制，其示意图如下所示：
3、控制系统总体框图
恒压供水系统的总体框图如图所示,PLC为核心控制器,通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关模拟量的输入,完成相关设备的运行、停止和调速控制。
                  恒压供水系统电气控制系统总体图
4、工作过程
城市供水系统在手动状态下，各类设备的控制根据操作面板上的按钮输入来控制，无逻辑限制，即不根据传感器的状态进行控制。在自动方式下，进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对设备进行启停、调速控制,气工作过程如下：
         
              主要工作过程示意图
（1）首先，采集压力传感器反馈的信号，将该传感器输出的模拟信号状换为PLC可处理的数字信号；
  （2)其次，PLC根据压力反馈值,以及变频器输出频率，对模拟量进行数据处理；
  (3）最后，在PLC中,数据经过计算后，产生控制信号,来实现对驱动器的控制。
这样就完成了一个工作过程.
三、硬件系统配置
    以上介绍了城市恒压供水系统的机械结构及其相关设备，根据其工作原理和控制系统的功能要求，本节主要介绍如何设计城市供水系统的控制系统和所所需的各种硬件设备,因此可以设计出城市供水系统的电气控制系统框图，如下图所示,在此控制系统中的核心处理器是PLC，其输入和输出量主要为数字量，只有一组模拟量的输入。