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本设计是一套基于PLC和变频器技术的恒压供水控制系统，实现了恒压自动控制。系统的可扩展性较好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。
引言：我国的水资源比较短缺，但是在城市供水中高层建筑物的供水技术一直不是很完善，存在自动化程度较低、水资源浪费等很多问题。主要表现在白天用水较多的时候，高层住户往往不能够得到稳定的用水，出现水压不足甚至停水的现象；而在夜间住户用水量低的时候，会出现水压过高的现象，从而浪费了很多水资源，如果水压过大又会使居民供水管道破裂，甚至使供水设备出现故障造成更严重的后果。
通过分析目前我国在供水方面技术的发展，可以看出变频恒压供水系统会成为社会生产供水所采用的主要供水方式。变频恒压供水系统主要由变频器、各种传感器、可编程控制器PLC等设备组成。本论文分析研究改进了恒压控制技术，使系统运行更加简单快捷，使用户需求得以保障，并且发生故障时可以及时报警。
1 系统硬件设计
1.1 系统框图
该变频恒压供水系统由变频器、压力变送器、PLC以及现场所使用的水泵机组互相配合运行，构成了一个完整的闭环调节系统。系统包括：信号检测机构、执行机构、控制机构三大部分。 （1）信号检测机构：一是检测水池现有水位的信号，其作用是避免水池水位过低，水泵空抽；二是
检测管网的水压信号，其作用是当管网水压不正常是时及时提醒控制端，是系统中最重要的一种报警信号；三是发出报警信号，其作用是能够反映系统是否可以正常工作、水泵电机有没有超负荷运行、变频器是否正常工作以及信号是不是作为开天下文学
智能供水系统设计
银川能源学院 王
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关量信号传输等。
（2）执行机构：包括一个工作在变频频率下的水泵和两台在工频下工作的水泵，构成一个泵组。变频恒压装置控制变频泵，可以将水输送到住宅区管网中提供该住宅区用户使用，它可以根据用户用水量的变化来改变电机的转速，以保持管网的水压力恒定。工频泵只在启动和停止两种工作状态下运行，在用户用水量大的情况下开始工作。
（3）控制机构：该机构通常安装在供水控制箱内，里面含有供水控制器，它对整个变频恒压供水控制系统来说至关重要，从这里发送的控制信号改变调速泵的工作频率，使调速泵工作；还有变频器与电气控制设备。控制器的作用是把采集系统中的各种信号，对人机交互系统通信处的信息数据进行处
理加工，得出较好执行机构的控制方案。因为变频器工作情况有不同，所以其拖动的水泵工作情况也存在着差异，变频器的工作方式可以分为两类，一种是变频循环式，第二个就是变频固定式。本设计采用前者，变频循环方式是当变频器驱动某水泵在工频频率下运行，用户的用水要求仍然无法满足，这时候就要增加水泵了，系统在最初会使变频器与水泵电机之间的连接断开，使泵工作在工频下，然后变频器使另一台水泵电机投入工作。
报警系统是一个控制系统中不可或缺的重要系统。反映系统是否可以正常工作、水泵电机有没有超负荷运行、变频器是否正常工作、供水中断而引起的故障。为了保证系统的正常运行必须对各种报警量进行维护及监测，先发送到PLC 判断系统故障类型，并显示出来以及时启动保护动作，避免不必要的损失。
本系统是根据出口管网设定的压力值来实现实际供水压力的调节，能够做到用户使用的实际水压满足正常使用需
求。该系统的结构框图如图1所示：
图1 变频恒压供水系统框图
要实现变频恒压供水就要监测系统管网出水的水压信号，把这个信号转变成为数字信号送到PLC，再把这个数字信号对比设定值，通过PID算出偏差值，并将其转换为模拟信号，该信号作为变频器的输入信号。为了达到用户的要求还需要让变频器改变电动机的转速，即控制水的流量，最终使管网压力恒定。
本系统的主要硬件设备包括：PLC及其扩展模块、水泵机组、变频器、液位变送器、压力变送器。
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主要设备选型如表1所示：
表1 本系统主要硬件设备清单
主要设备 型号及其生产厂家可编程控制器（PLC） Siemens CPU 226模拟量扩展模块 Siemens EM 235变频器 Siemens MM440湖南大学数字图书馆
水泵机组 SFL系列水泵3台（上海熊猫机械有限公司）压力变送器及显示仪表 普通压力表Y-100、XMT-1270数显仪液位变送器 分体式液位变送器DS26(淄博丹佛斯公司)
1.2 系统主电路
本系统采用了三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行，在用水量小的情况下，如果变频泵连续运行时间超过24h，则要切换下一台水泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台水泵工作时间过长。因此在同一时间内只能有一台水泵工作在变频下，但不同时间段内三台水泵都可轮流做变
频泵。变频恒压供水系统主电路图如图2所示。
图2 变频恒压供水系统主电路图
表2 元件名称对应表
元件名称 对应名称电机 M1、M2、M3接触器 KM1、KM3、KM5热继电器 FR1、FR2、FR3隔离开关 QS1、QS2、QS3、QS4熔断器 FU
能够实现恒压供水的最主要设备是PLC，它的可操控性和可靠性以及合理性都关系到整个系统的整体性能。本系统使用了西门子S7-200系列的PLC，其体积相对来说不大，操作简单快捷且执行速度快，抗干扰性能较好，工作的安全性和可靠性都比较高。
本系统中PLC控制着三台水泵，要求能够具有三种功能：一是能够自动控制运行；二是能够实现倒泵功能；三是能有自动和手动控制的功能。手动操作仅在应急时临时使用。
而且要求系统不仅能够显示系统的实时运行状态，还要有准确的报警功
能。系统的电子控制系统的控制电路图如图3所示：
图3 变频恒压供水系统控制电路图
2 系统软件设计
西门子提供的STEP 7-MicroWIN-V40编程软件开发的PLC控制程序。软件的SIMPATIC指令集包括语
句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言和功能块图(FWD)语言三种语言。梯形图(LAD)语言具有的特点：是工艺设计和操作维护人员及初学者最理想的编程工具之一，是最接近继电器接触器控制系统的电气控制原理图，梯形图(LAD)语言视为PLC最为高级的语言，是当今应用最为普遍的程序设计语言之一。图形结构与数字电路的结构相同的语言功能块图(FWD)的功能框图里的各个模板之间的连接模式基本上与电路的连接模式相同，都会有显示有输入和输出端两端个口。这两个端口之间的函数关系使用的是与、或、非、异构或逻辑。阔里吉思
2.1 控制系统主程序设计
该设计包括以下几种程序：（1）增、减泵判断和相应操作程序
当PID调解结果满足条件而且水泵稳定运行时，为了消除不稳定因素，所以给定时器计时5min，以达到对水压不稳定带来的影响进行滤除，之后进行工频泵台数加减操作，并产生与泵台数变化时相应的变频启动脉冲信号。
不能说出的秘密
（2）系统初始化程序
当系统开始工作时，整个系统都要被进行初始化操作。当系统启动之后，如若运行正常则不会发出报警，若进行状态错误则会亮出红灯来以作为警报。通常发出警报之后的解决办法分为两个步骤，首先
是进行初始化，就是对变频器变频运行的上限和下限频率还有PID控制的每个参数初始化；最后设定出白天和晚上两种供水情形下的水压值和两种情况下的变频泵序号还有两种情况下工频泵投入台数。
（3）水泵的软启动程序
泵数变化时或者泵进行切换时复位变频器要为软启动做准备。并且
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图7 AXI4-Lite写数据时序图
图8 AXI4-Lite读数据时序图
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Core ，采用AXI4 Interface 协议，AXI4用户接口数据位宽256bits ，DDR3 MIG IP Core 中PLL 接入的时钟200MHz ，外接两片DDR3芯片，型号为MT41J256m16XX-107，DDR3外接芯片数据时钟400MHz ，DDR3外接芯片数据位宽32bits ，其余设置此处不一一列出，大部分设置默认即可。
3.仿真验证
为了便于验证，本设计测试数据为连续的数据。写操作modelsim 仿真结果如图7所示。
读操作modelsim 仿真结果如图8所示。
从上面仿真时序图可以看出，同一个初始地址，突发读出的数据一致，验证通过。
4.结语
本设计是基于XILINX ARTIX-7 FPGA 的多端口DDR3读写设计，解决了XILINX 7-Series FPGA 的DD
R3 IP Core 不支持多端口的问题，在Spartan-6 FPGA 向Artix-7 FPGA 或者XILINX 其他更高性能的FPGA 升级方面提供了一种解决方案。
作者简介：
郭要强（1980—），男，高级工程师，现供职于深圳驼人生物医疗电子股份有限公司。
毛建华（1987—），男，高级工程师，现供职于深圳驼人生物医疗电子股份有限公司。
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操作在延迟之后开始。当有一台变频泵长时间工作时，应对连续工作时间进行判断，超过24个小时则应进行自动倒泵变频运行。
（4）报警及故障处理程序
当系统中有故障发生时，系统中相应的指示灯将会闪烁并发出警报。处理完紧急事件按下测试按钮时，系统中的每个指示灯都会亮起。
本设计选择了PID控制器，设置控制器参数的方法有很多，本设计采用了动态特征参数方法。
运行程序后得到波形图如图4所示。
在加入纯滞后环节后得到的波形图如图5所示。
图5 加入纯滞后环节后的仿真波形图
从得到的波形图可以看出该系统的调节反应所需要的时间短、反应灵敏、动作快、输出的压力信号稳定，说明达到了本设计的初衷要求，可以实现为用户提供满足用户要求且经济实用的供水方式。
3 结束语
本文设计了基于PLC和变频器技术的恒压供水控制系统，实现了恒压自动控制，恒压供水在实际生活中有着很重要的意义，能够满足用户日常的用水要求，并且该系统在如
今绿节能的时代背景下很大程度的节约了资源。
图4 恒压供水系统阶跃响应仿真波形图
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