水泵变频恒压控制

1. 设备简介

水泵变频恒压供水是典型的 PID + 变频应用, 广泛应用于市政二次供水、建筑给排水、化工加压、消防稳压、冷却循环、农业灌溉, 是节能降碳改造最常见的场景之一。本案例以小区二次供水泵站 "2+1" 水泵组为对象 (3 台 5.5 kW 立式多级泵, 2 运 1 备, 24 小时轮换), 额定压力 4.0 bar ±0.1 bar, 单泵流量 30 m³/h。通过 PID 算法调节主泵变频器输出, 保持管网压力稳定, 低压时启副泵接力, 高压时硬联锁停机。相比工频恒压方案节能 30% 以上, 同时支持手机远程监控、故障微信推送、物业 SCADA 对接等现代化运维能力。

2. 项目模块组成

• 机械部分: 3 台 5.5 kW 立式多级泵 + 水箱 + 压力罐 + 主/备压力传感器 + 电磁流量计
• 电气部分: 研华工控机 + 汇川 4AD/1616END + 台达 MS300 变频器 × 3 + RS485 转换器
• 软件部分: OB35 PID 中断 + OB30 Modbus RTU 通讯 + OB1 主调度 + FB_PumpPIDCtrl/Scheduler/AlarmManager + DB_PumpStats

3. 机械装配架构

进水从市政水源进入水箱, 3 台水泵并联吸水, 通过汇管接压力罐再到用户管网。主/备压力变送器安装在汇管出口, 4~20 mA 信号接入 PLC。电磁流量计监测总流量用于判定是否需要启副泵。单向阀防止停泵时水倒流, 闸阀用于维护时隔离。

4. 程序架构

OB35 跑 PID 计算主泵频率, OB30 通过 Modbus RTU 对 3 台变频器读/写 (频率给定 / 反馈 / 电流 / 功率), OB1 维护 2+1 状态调度与轮换。报警/能耗等状态数据通过 OPC UA 上传到物业 SCADA 或手机 APP。

5. 硬件选型 BOM

品牌	型号	数量	单价 (¥)	用途
研华	MIO-5272 工控机	1	3,000	主控
汇川	AM600-4AD (4AI)	1	780	压力/流量采集
汇川	AM600-1616END	1	850	DI/DO
台达	MS300 5.5 kW 变频	3	2,400	水泵变频
国产通用	压力变送器 4-20 mA 0~10 bar	2	320	主 + 备
国产通用	电磁流量计 DN65	1	1,800	流量监测
国产通用	ISW 立式多级泵 5.5 kW	3	3,500	水泵本体
威纶通	TK6071iP 7"	1	1,100	本地 HMI
研华	RS485/USB 隔离转换器	1	180	Modbus 总线
明纬	LRS-150-24	1	180	24V

6. IO 模块配置

6.1 选择 IO 模块

IDE 项目树 > IO 设备 > 右键 > 添加 IO 设备:

• 从站 1: 汇川 AM600-4AD (4AI 4~20 mA) — 压力/流量采集
• 从站 2: 汇川 AM600-1616END — 启停/运行反馈/水位/指示灯

变频器通过 通讯 > Modbus RTU 主站 添加, 选 RS485 隔离转换器对应 COM 口, 波特率 9600, 3 台变频器分别配置 SlaveId = 1/2/3。

6.2 IO 地址分配

地址	模块	信号	用途
%IW100	从站 1	AI_Press_Main	主压力 (0~10 bar)
%IW102	从站 1	AI_Press_Backup	备压力
%IW104	从站 1	AI_Flow	流量 (0~50 m³/h)
%IX0.0	从站 2	SB_Start	启动
%IX0.1	从站 2	SB_Stop	停止 (常闭)
%IX0.2	从站 2	SB_EStop	急停 (常闭)
%IX0.3~0.5	从站 2	Pump[0..2]_Run	泵 1~3 运行反馈
%IX0.6	从站 2	Tank_LowLvl	水箱低水位
%QX0.0~0.2	从站 2	Pump[0..2]_Enable	泵 1~3 使能
%QX0.3	从站 2	HL_Run	运行灯
%QX0.4	从站 2	HL_Fault	故障灯
%QX0.5	从站 2	HL_HighPress	超压灯

6.3 IO 用途分工

• PLC 主控: PID + 2+1 调度 + 24 小时轮换 + 能耗统计, 全部在 PLC 内完成
• 模拟量主备: 两路压力独立通道, 差值 > 1 bar 判主故障自动切备用
• Modbus 写入: 频率给定通过 Modbus RTU 写到变频器寄存器 0x2000
• Modbus 读取: 反馈频率/电流/功率/故障码从 0x2103~0x2108 读取

6.4 对接物业 SCADA (如适用)

在 通讯 > OPC UA 服务端 配置暴露点位清单, 物业 SCADA 作为 OPC UA 客户端订阅:

• gPump.rPressure : 实时压力
• gPump.aPumps[0..2].rPower : 各泵瞬时功率
• gPump.rEnergyKWh : 累计能耗
• gPump.eState : 系统状态
• gPump.bHighPressTrip : 超压联锁

物业手机 APP 通过 OPC UA 或 HTTPS 直接读取, 无需二次开发。

7. 核心数据结构

TYPE UDT_Pump:
STRUCT
    bEnable      : BOOL;
    bRunning     : BOOL;
    rFreq        : REAL;      // 给定频率 Hz
    rFreqFb      : REAL;      // 反馈频率
    rCurrent     : REAL;      // 电流 A
    rPower       : REAL;      // 瞬时功率 kW
    nRunHours    : DINT;      // 累计运行 (Retain)
    nStartCount  : DINT;      // 启动次数 (Retain)
    bFault       : BOOL;
    nFaultCode   : INT;
END_STRUCT
END_TYPE

TYPE UDT_PumpStation:
STRUCT
    aPumps       : ARRAY[0..2] OF UDT_Pump;
    rPressure    : REAL;
    rPressureSet : REAL := 4.0;
    rFlow        : REAL;
    nMasterIdx   : INT;          // 主泵索引
    nSlaveIdx    : INT;          // 副泵索引
    eState       : INT;          // 0=idle 1=single 2=dual 3=fault
    rEnergyKWh   : REAL;         // 累计能耗 (Retain)
    bHighPressTrip : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL RETAIN
    gStation : UDT_PumpStation;
END_VAR

8. 核心程序代码

FB_PumpPIDCtrl — OB35 100 ms PID 恒压:

FUNCTION_BLOCK FB_PumpPIDCtrl
VAR
    fbPID : PID_COMPACT;
    rBak  : REAL;
END_VAR

// 压力采集 + 主备冗余
gStation.rPressure := INT_TO_REAL(AI_Press_Main)   / 27648.0 * 10.0;
rBak               := INT_TO_REAL(AI_Press_Backup) / 27648.0 * 10.0;
IF ABS(gStation.rPressure - rBak) > 1.0 THEN
    IF gStation.rPressure < 0.0 OR gStation.rPressure > 10.5 THEN
        gStation.rPressure := rBak;
    END_IF;
END_IF;

// 超压硬联锁
IF gStation.rPressure > 6.0 THEN
    gStation.bHighPressTrip := TRUE;
    gStation.eState         := 3;
END_IF;

// PID 仅调节主泵
IF gStation.eState = 1 OR gStation.eState = 2 THEN
    fbPID(
        Setpoint  := gStation.rPressureSet,
        Input     := gStation.rPressure,
        Kp := 3.0, Ti := 5.0, Td := 0.5,
        OutputMin := 20.0, OutputMax := 50.0
    );
    gStation.aPumps[gStation.nMasterIdx].rFreq := fbPID.Output;
END_IF;

FB_PumpScheduler — OB1 2+1 状态机:

FUNCTION_BLOCK FB_PumpScheduler
VAR
    tonRotate, tonLowPress : TON;
    i : INT;
END_VAR

CASE gStation.eState OF
    0: // 空闲
        IF SB_Start AND NOT gStation.bHighPressTrip AND NOT Tank_LowLvl THEN
            gStation.eState := 1;
            gStation.aPumps[gStation.nMasterIdx].bEnable := TRUE;
            gStation.aPumps[gStation.nMasterIdx].nStartCount :=
                gStation.aPumps[gStation.nMasterIdx].nStartCount + 1;
        END_IF;

    1: // 单泵运行
        tonLowPress(IN := gStation.rPressure < 2.0, PT := T#10s);
        IF tonLowPress.Q THEN
            gStation.aPumps[gStation.nSlaveIdx].bEnable := TRUE;
            gStation.eState := 2;
        END_IF;
        IF NOT SB_Stop THEN
            gStation.eState := 0;
            FOR i := 0 TO 2 DO gStation.aPumps[i].bEnable := FALSE; END_FOR;
        END_IF;

    2: // 双泵运行
        IF gStation.rPressure > 4.5 AND gStation.rFlow < 20.0 THEN
            gStation.aPumps[gStation.nSlaveIdx].bEnable := FALSE;
            gStation.eState := 1;
        END_IF;
        IF NOT SB_Stop THEN
            gStation.eState := 0;
            FOR i := 0 TO 2 DO gStation.aPumps[i].bEnable := FALSE; END_FOR;
        END_IF;

    3: // 故障复位
        FOR i := 0 TO 2 DO gStation.aPumps[i].bEnable := FALSE; END_FOR;
        IF gStation.rPressure < 5.0 AND SB_EStop THEN
            gStation.bHighPressTrip := FALSE;
            gStation.eState         := 0;
        END_IF;
END_CASE;

// 24 小时轮换
tonRotate(IN := gStation.eState = 1, PT := T#24h);
IF tonRotate.Q THEN
    gStation.nMasterIdx := (gStation.nMasterIdx + 1) MOD 3;
    gStation.nSlaveIdx  := (gStation.nMasterIdx + 1) MOD 3;
    tonRotate(IN := FALSE);
END_IF;

Pump0_Enable := gStation.aPumps[0].bEnable;
Pump1_Enable := gStation.aPumps[1].bEnable;
Pump2_Enable := gStation.aPumps[2].bEnable;

FB_ModbusRTU — OB30 50 ms 写变频器频率 + 读反馈:

FUNCTION_BLOCK FB_ModbusRTU
VAR
    fbWrite : MB_WriteSingle;
    fbRead  : MB_ReadHolding;
    i : INT;
END_VAR

FOR i := 0 TO 2 DO
    // 频率给定 (寄存器 0x2000, 单位 0.01 Hz)
    fbWrite(Port := MB_PORT_1, SlaveId := i+1,
            Register := 16#2000,
            Value := REAL_TO_INT(gStation.aPumps[i].rFreq * 100));

    // 读瞬时功率 (0x2103, kW × 100)
    fbRead(Port := MB_PORT_1, SlaveId := i+1,
           StartReg := 16#2103, Count := 1,
           Target := gStation.aPumps[i].rPower);
END_FOR;

9. 运行与调试

1. 仿真 Runtime 验证: 给 AI_Press_Main 注入阶跃压力, 观察 PID 输出调整
2. 下载到 Runtime: IDE "部署" → 选 Runtime IP → 下载
3. 变频器通讯验证: 查看 OB30 日志, 确认 3 台变频器 Modbus 响应 OK
4. 强制信号测试: 强制 Tank_LowLvl := TRUE, 验证全部泵立即停机
5. 节能调参: 从 Kp=3 开始, 按管网响应微调; 夜间低流量时观察是否频繁启停
6. 常见排查:
   • 压力振荡 → Ti 太小 (积分过快)
   • 长时间无法到达设定 → OutputMax 不够, 或泵出力不足
   • 变频器失联 → 查 RS485 A/B 接线 + 波特率 + 终端电阻

10. 用到的 Darra 功能

功能模块	本案例用到的	说明
PLC 编程	SCL + 状态机 + PID_COMPACT + UDT + Retain	IEC 61131-3
工艺对象	PID 内置 + 多泵调度	无需专用恒压控制器
HMI	压力趋势 + 泵组状态 + 手机 APP	多端实时监控
通讯	EtherCAT + Modbus RTU + OPC UA	多协议内置
数据记录	能耗 kWh / 压力曲线 30 天	物业按电费核算
服务	终端设备监控 + 故障微信推送	物业手机报修

11. 项目总结

• 实测指标: 稳态压力 4.00 bar ±0.08 bar, 主备切换 < 1 秒, 能耗比工频方案降低 32%, 连续运行 60 天无意外停机
• 扩展方向:
  1. 升级双机热备 Runtime (主 PLC 故障自动切备份 PLC, 管网不中断)
  2. AI 预测性维护: 结合电流/振动趋势, 提前 7 天预警轴承磨损
  3. 多泵站联网 (物业 50+ 泵站统一调度), Darra Cloud 集中运维