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1 引言
　　小區(qū)供水系統(tǒng)用于對(duì)小區(qū)內(nèi)生活、消防和噴淋用水的自動(dòng)供給，是住宅小區(qū)公用設(shè)施的重要組成部分。供水系統(tǒng)通過對(duì)水泵、閥門等設(shè)備的開、關(guān)和聯(lián)鎖來實(shí)現(xiàn)小區(qū)的正常供水，從而達(dá)到居民正常生活和人員、設(shè)備安全的目的。
　　我國(guó)的電動(dòng)機(jī)用電量占全國(guó)發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國(guó)電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和多臺(tái)水泵的投入和退出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

2 水泵變頻調(diào)節(jié)原理
　　由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20％～50％，而且通常在設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。
　　根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

　　式中P1、H1、Q1為轉(zhuǎn)速N1的功率、揚(yáng)程、流量；P2、H2、Q2為轉(zhuǎn)速N2的功率、揚(yáng)程、流量。由此可見，當(dāng)水泵在變負(fù)荷工作情況下，采用變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進(jìn)行變化，節(jié)電效果明顯。

3 PID調(diào)節(jié)的基本原理
　　在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
　　3.1  比例（P）控制
　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。
　　3.2  積分（I）控制
　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
　　3.3  微分（D）控制
　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。
　　自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。

4 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　傳統(tǒng)的供水模式采用屋頂水箱和水泵聯(lián)合供水，水質(zhì)容易受到二次污染，供水不安全。在全自動(dòng)恒壓變頻供水裝置中直接提升供水，衛(wèi)生、安全、可靠，用戶隨時(shí)都能飲用新鮮水，避免了二次污染，且設(shè)備占地小、性能穩(wěn)定、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。我們對(duì)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察和反復(fù)研究，在可靠性、穩(wěn)定性、方便性等方面做了大量工作，采用先進(jìn)、實(shí)用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利時(shí)公司LM的控制方案。
　　變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由兩部分組成，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要由水泵、壓力罐和管路組成。控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、變頻器、智能壓力表、繼電器等組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 

　　該系統(tǒng)有6路數(shù)字量輸入、6路AC220V數(shù)字量輸出、1路4~20mA的變頻器頻率信號(hào)和1路4~20mA的壓力信號(hào)，同時(shí)對(duì)外輸出4~20mA的變頻器頻率信號(hào)，因此，本系統(tǒng)配置1個(gè)CPU模塊LM3105、1個(gè)模擬量輸入模塊LM3310和1個(gè)模擬量輸出模塊LM3320。系統(tǒng)的I/O表如表1所示：

5 工藝流程控制
　　整個(gè)系統(tǒng)的控制對(duì)象是兩臺(tái)水泵，通過出口壓力決定投入泵的數(shù)量、變工頻切換和變頻器的工作頻率。PLC通過采集出口壓力和變頻器的當(dāng)前頻率對(duì)頻率做反向的PID調(diào)節(jié)運(yùn)算。PID參數(shù)的整定對(duì)于系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性起到至關(guān)重要的作用。PID參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法；二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。該系統(tǒng)采用的是工程整定方法中的一種臨界比例法。臨界比例度法是采用純比例將系統(tǒng)投入自動(dòng)，此時(shí)積分時(shí)間放最大，微分時(shí)間放0。逐漸減小比例度，使系統(tǒng)剛剛出現(xiàn)等幅振蕩，記下這時(shí)的比例度Pbc和振蕩周期Tc， PID的比例度和積分時(shí)間P=2.2PbcT=0.85Tc。系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示：

圖2控制流程圖

6 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

　　自動(dòng)化供水系統(tǒng)選用和利時(shí)公司的小型一體化PLC取代了原系統(tǒng)繼電器控制回路，減少了能源損耗，節(jié)省了人力資源，本系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)。
　　采集精度、分辨率高
　　和利時(shí)公司LM模擬量模塊誤差在0.5%以內(nèi)，采用12位精度的數(shù)據(jù)寄存器。
　　采集速度快
　　和利時(shí)公司LM模擬量模塊采集周期小于6毫秒。
　　可靠性高
　　本系統(tǒng)的控制核心是和利時(shí)公司LM，能夠在惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期、可靠、無故障地運(yùn)行，接線簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，隔離性好，抗腐蝕能力強(qiáng)，能夠適應(yīng)較寬的溫度變化范圍，平均無故障時(shí)間間隔（MTBF）大于15年。
　　功能強(qiáng)大
　　和利時(shí)公司LM的編程語言遵從IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、易懂、易用。除了具有傳統(tǒng)的指令表、梯形圖和功能塊圖等編程功能外，還具有結(jié)構(gòu)化文本和順序功能圖等編程功能。和利時(shí)公司的PLC系統(tǒng)提供了多種應(yīng)用功能模塊，包括各種通訊功能模塊、可以具體到年月日和時(shí)刻的多種定時(shí)器和超長(zhǎng)時(shí)間繼電器等，方便了各種功能的實(shí)現(xiàn)，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)省程序容量。

7 結(jié)束語
　　基于G3系列PLC的自動(dòng)化供水系統(tǒng)，大大降低了供水的能耗，節(jié)省了人力資源，是供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

參 考 文 獻(xiàn)
[1] 《LM硬件手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006
[2] 《LM軟件手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006
[3] 《LM指令與功能塊手冊(cè)》，杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，2006