高層建筑壓力補償供水控制系統設計＊

黃澤明，翁發祿，賈晶濤，曾慶紅，劉 帥

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

1 引言

高層建筑大大緩解了城市的住房壓力，但是一系列的現實問題也不斷出現，如供水問題就是高層建筑的常見問題之一。高層供水不僅要考慮水壓，還要考慮二次供水的水質問題。同時供水能耗在當下綠色經濟時代也是高層建筑供水需要考慮的問題之一。如何在二次供水中保證水壓、水質，同時又高效節能是當下高層供水研究的熱點之一。雖然目前中國的高層供水系統已經具有的一定的規模，泵機組數量大、種類樣式多，但是與國外仍存在著一定的差異。這些差異體現在工程標準、技術水平、經濟效益還有高效環保等方面。本論文主要根據高層建筑供水需求，通過對變頻恒壓供水系統的分析，設計一套以PLC 為主控設備，控制變頻器帶動水泵工作，實現壓力補償供水的恒壓供水控制。本文選擇S7-300 系列的PLC 為控制中心，通過PLC 調用PID 模塊實現變頻器控制水泵運行，完成高層建筑的恒壓供水。除此之外。同時，通過系統仿真實現了供水系統PID 參數的調節，驗證了設計的有效性。

2 系統總體設計

供水控制系統由控制器、變頻器、傳感器和水泵機組這幾個主要部分構成。主要原理是通過壓力傳感器檢測實際的壓力值，與控制器設定水壓值進行比較，通過控制器內部程序及變頻器自帶控制程序，實現變頻器輸出頻率的調節，進而實現對水泵機組供水水壓的調節，使管網水壓恒定，滿足供水需求。同時有相應的上位機進行實時監測。作為供水系統的控制器一般有供水基板、單片機和PLC 控制這幾種方案。本文選擇西門子S7-300PLC 作為控制器，實現系統控制。

壓力補償供水控制系統是一個閉環控制系統，以水泵及變頻器為執行機構，供水壓力傳感器為檢測裝置。在控制系統中，壓力傳感器檢測實際的供水網絡中的壓力值，并將其轉化為4～20 mA 的電流信號，傳輸給控制器的模擬量輸入模塊。控制器接收到這一信號后，將其轉化為數值信號，并與設定壓力值進行比較。控制器根據比較結果調用西門子S7-300PLC 的內部程序FB41 進行PID 調節，并將PID 調節值通過模擬量輸出模塊傳輸給變頻器。變頻器接收到控制信號后輸出一定頻率的電信號控制電機運行，實現水泵供水水壓控制，達到恒壓供水。壓力補償供水控制系統原理框如圖1 所示。

3 硬件設計

供水系統核心是控制部分，本文采用西門子S7-300PLC作為控制中心，配備數字量輸入輸出模塊及模擬量輸入輸出模塊。模擬量輸入模塊接收來自壓力傳感器4～20 mA 的標準電流信號，并將其轉換成數字信號，通過CPU 內部運算得到控制信號，通過模擬量輸出模塊將數字量轉換成4～20 mA 電流信號控制變頻器改變輸出電源的頻率，實現水泵的變頻調速。此外，CPU 還需接收水位傳感器的液位信號以及變頻器的故障信號，并與觸摸屏相連實現人機交互。CPU通過數字量輸出模塊控制開關及報警器等。

4 軟件設計

本文基于Step7 軟件實現控制系統的編程，基于wincc進行人機交互界面設計。通過系統仿真模塊完成硬、軟件仿真調試。供水系統壓力補償控制的流程如圖2 所示。

圖2 壓力補償控制流程圖

經過初始化后，首先進行水池水位的判斷，當水位低于下限時開啟進水閥門，當水位高于上限時關閉進水閥門。然后檢測出水口水壓，系統根據出水口水壓控制水泵的啟停。當水壓偏低時，系統變頻啟動1 號泵。當1 號泵達到工頻，水位仍偏低時，將1 號泵切換至工頻運行，然后變頻啟動2號泵。當2 號泵達到工頻，水位仍偏低時，將2 號泵切換至工頻運行，然后變頻啟動3 號泵。當3 號泵頻率降低至10 Hz以內水壓仍偏高時，將1 號泵切換至變頻運行，并在1 號泵降頻的同時提高3 號泵的頻率直至工頻。當1 號泵降至停機后，如果水壓仍偏高，則將2 號泵切換至變頻狀態。當2 號泵降至停機后，如果水壓仍偏高，則將3 號泵切換至變頻狀態。如此往復，實現供水水壓控制。

5 總結

本文基于西門子S7-300PLC 實現了高層建筑壓力補償供水控制系統設計。系統通過水位傳感器實現對水池水位的檢測，并通過調節進水閥實現對水池的水位控制。同時，基于水壓傳感器實現對供水水壓的檢測。基于測得供水水壓控制水泵的開啟、關閉與調速實現水壓的調節。本設計可實現高層建筑供水水壓的調節及穩壓供水。