基于流量反馈的差异化功率水泵组恒压控制系统研究与设计

引言

相关统计数据显示，我国水泵系统能耗占据了工业总能耗的 20% 以上，其中，恒压供水系统的运行方式不当是导致能耗居高不下的关键因素之一。因此，针对水泵组的配置及控制策略进行优化，以提升系统在变流量工况下的能量利用效率，已成为流体控制领域当前研究的焦点。

1. 行业研究现状

经研究，单纯依靠变频调速或同功率水泵组切换难以兼顾变流量工况下的压力稳定性与节能性。因此，结合流量实时反馈与差异化功率水泵组的协同控制，成为解决这一问题的有效途径。

2. 工作原理

系统工作时，PLC 实时采集压力传感器和流量计的信号：

1. 当管网流量较小时（如 Q⩽15m³ /h），PLC 控制 1.5kW 水泵投入运行，通过变频器调节其转速，使压力维持在设定值；

2. 当流量增大至 15～30m³ /h 时，1.5kW 水泵已达额定转速，压力开始下降，此时 PLC 启动 3kW 水泵并停止 1.5kW 水泵，通过调节 3kW 水泵转速维持压力；

3. 当流量进一步增大至 30～50m³/k 时，切换至 5.5kW 水泵运行；

4. 若流量超过单台 5.5kW 水泵的额定流量（如 Q>50m³ /h），则启动3kW 水泵与 5.5kW 水泵并联运行，通过调节两台水泵的转速分配流量；

5. 流量下降时，按相反逻辑切换至小功率水泵，确保始终运行效率最高的水泵组合。

3. 硬件选型与设计

水泵与变频器选型

1. 水泵选型：根据扬程一致、功率差异化原则，选用 3 台单级离心泵，比如参数如下：

1# 水泵：型号 ISG50-160，额定功率 1.5kW，扬程 32m，额定流量12.5m³/h ；

2# 水泵：型号 ISG65-160，额定功率 3kW，扬程 32m ，额定流量 25m³/h ；

3# 水 泵： 型 号 ISG80-160， 额 定 功 率 5.5kW， 扬 程 32m， 额 定 流量 50m³ /h。 三者扬程均为 32m（接近设定压力对应的水头），功率形成1.5:2:3.67 的梯度，覆盖不同流量区间。

2. 变频器选型：选用水泵专用变频器，额定容量按水泵功率对应选择，具备 PID 控制功能与多段速运行模式，可通过 RS485 通信接收 PLC 的控制指令。

检测元件选型

1. 压力传感器：选用扩散硅压力变送器（型号 MPM480），测量范围0-1MPa，输出信号 4～20mA ，精度 0.2% FS，安装于总水管出口处，实时检测管网压力。

2. 电磁流量计：选用 LDG 型电磁流量计，测量范围 0-100m³/h ，衬里材质为橡胶，电极材质为 316 不锈钢，输出 4～20mA 电流信号与脉冲信号，精度 ±0.5% ，安装在压力传感器下游，确保测量稳定。

辅助硬件设计

1. 电气主回路：包括空气开关、交流接触器、热继电器、变频器等，实现水泵的电源通断与过载保护。每台水泵对应 1 套控制回路，由 PLC 经逻辑处理后控制电机的运行状态。

2. 控制回路：设计信号调理电路，将传感器输出的 4～20mA 信号转换为 PLC 可接收的 0-10V 信号；配置急停按钮、指示灯等，提高系统安全性与可操作性。

3. 人机界面：选用威纶通 MT6071IP 触摸屏，通过 RS485 与 PLC 通信，实现参数设置（如 P0=0.4MPa， Q1=15m³ /h， Q2=30m³/h ）、实时数据显示（压力、流量、水泵状态）、故障报警等功能。

4. 软件控制策略设计

4.1 主程序流程设计

系统主程序采用循环扫描方式运行，主要步骤如下：

1. 初始化：系统上电后，PLC 初始化 I/O 端口、定时器、数据区，读取触摸屏设定的压力值（P0）与流量阈值（Q1、Q2、Q3），初始化水泵运行状态（全停）。

2. 信号采集：周期性（采样周期 T=0.1s ）采集压力传感器信号（P）与流量计信号（Q），进行滤波处理（采用一阶惯性滤波法消除噪声）。

3. 流量区间判断：根据实时流量 Q 判断所属区间（ Q⩽QQ 、 Q1⟨Q⩽Q2 、Q2⟨Q⩽ Q3、 Q>Q3. ），结合当前运行水泵功率，决定是否需要切换。

4. 水泵切换控制：若需要切换，执行切换逻辑，输出接触器控制信号

若无需切换，保持当前水泵运行。

故障监测与报警：实时监测水泵过载等故障，若发生故障，立即停止相关水泵并在触摸屏显示报警信息。

4.2 PID 恒压控制算法设计

压力控制采用增量式 PID 算法，为提高控制性能，采用以下改进措施：

·积分分离：当实时采样压力偏差大于预设值时，取消积分作用，避免超调；当实时采样压力偏差小于预设值时，引入积分作用消除静差。

·抗积分饱和：限制 PID 输出上限为 10V（对应 50Hz ），下限为 0V（对应 0Hz），防止积分项累积导致的饱和现象。

·参数自整定：通过试凑法与软件的PID 调试面板功能确定初始参数，运行中根据偏差变化率动态调整。

4.3 基于流量的水泵切换策略

水泵切换策略是系统节能的核心，其设计原则是：使运行水泵的额定流量与实际流量匹配，且在高效区运行。

切换过程中需注意：

·先启后停：目标水泵启动完成后，再停止当前水泵，过程中通过 PID调节至稳定转速后，避免管网压力骤降；

·延时判断：流量信号持续 10 个采样周期（1s）满足预设的切换阈值条件时，才执行切换，防止瞬时流量波动导致误动作，可根据实际的需求情况进行调整，要求不高的系统，延时时间可以设长一些，可以避免掉切换过于频繁的情况；

·优先级设定：单泵运行优先于多泵并联，小功率水泵优先于大功率水泵（在对应流量区间内），以减少能耗。

4.4 人机交互界面设计触摸屏界面包括以下模块：

1. 主监控界面：实时显示当前压力、流量、设定压力、运行水泵图标、变频器频率等信息，以动态曲线展示压力与流量的变化趋势；

2. 参数设置界面：可修改设定压力 P0、流量阈值 Q1/Q2/Q3、PID 参数（Kp/Ki/Kd）等，设置后需密码确认以防误操作；

3. 手动控制界面：用于调试或故障时手动启停水泵、调节变频器频率；

4. 故障报警界面：记录故障类型、发生时间与处理建议，支持报警复位。

6. 系统实现与测试

硬件搭建与软件编程

按照系统总体结构搭建硬件平台，电气接线。软件编程采用西门子STEP7-Micro/win smart 软件，使用梯形图（LAD）编写主程序，子程序（SBR）、PID 算法与水泵切换逻辑。主要程序块包括（也可以全部在主程序里编写，为了更好地管理与便于其他项目的使用，以子程序或库的方式进行编写与保存）：

7. 结论与展望

本文设计的基于流量反馈的差异化功率水泵组恒压控制系统，通过实时采集管网流量信号，在确保恒压供水这一核心目标的前提下，智能地依据用水负荷大小，自动切换至功率最匹配的水泵组合运行。该方案硬件配置合理，控制逻辑清晰可靠，具有显著的节能效益、经济效益和社会效益，是变频恒压供水技术向更精细化、智能化、高效化方向发展的重要实践，在各类具有变流量需求的供水场景中具有广阔的应用前景。

系统存在的不足：水泵切换瞬间仍有微小压力波动，需进一步优化切换时序；流量阈值为固定值，未考虑季节、用户习惯等因素的长期变化。未来研究方向：引入模糊控制算法动态调整流量阈值，提高系统的自适应能力；结合物联网技术实现远程监控与数据分析，预测流量变化趋势，提前进行水泵切换；研究水泵组并联运行时的负载分配策略，进一步提高多泵协同运行的效率。与AI 结合， 利用历史用水大数据，通过机器学习预测流量趋势，提前预判并优化泵组切换策略

徐光顺 、1976 年4 月出生，安徽池州人， 男 ，汉族，成人专科，初级职称（取得了二级技师技能等级），研究方向：电气。