PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計分析

近年來，伴隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，城市中的高層建筑也在不斷增加，因此人們對高層飲用水的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)供水方式包括高位水塔供水、恒速泵供水等，其中高位水塔供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、占地面積大，容易造成水的二次污染；而恒速泵供水系統(tǒng)一般是由多個水泵電動機組成，系統(tǒng)在工作期間為適應(yīng)供水量的變化需要頻繁地起動或停止水泵機組，這樣不僅使水泵的工作效率低下、使用壽命縮短，而且電機的頻繁啟停也會產(chǎn)生很大沖擊，從而導(dǎo)致供水設(shè)備故障率升高，可靠性降低，其結(jié)果是既增大水泵機組的功率損耗也浪費了大量的電能。因此，利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)和裝備設(shè)計出性能好、節(jié)能性高、并且能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)已成為必然趨勢。
1、控制策略
變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制器、變頻器、壓力變送器、水泵和電機等組成，其中水泵和電機通常合并組裝在一起，由電機帶動水泵的旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)供水。由電機工作原理可知，當(dāng)電機極對數(shù)不變時，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子的供電頻率成正比，即只要平滑地調(diào)節(jié)電機供電頻率就可以連續(xù)地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，這就是實現(xiàn)電機變頻調(diào)速的基本原理，因此供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)就是實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速。采用這一供水系統(tǒng)時必須使用到一種裝置—變頻器，它可以把電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)椋啊担埃龋烧{(diào)的變壓變頻交流電并輸送給水泵電機，從而改變電機的供電頻率。為此系統(tǒng)中需要設(shè)置其控制裝置，以期能夠準(zhǔn)確、及時地控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)對水泵電機的轉(zhuǎn)速控制。
可編程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字運算操作系統(tǒng)，它具有體積小，功能強，編程簡單，可靠性高等優(yōu)點，如今已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及生活等各個方面。鑒于ＰＬＣ 產(chǎn)品的系列化和模塊化特點，用戶可以根據(jù)工業(yè)要求選擇不同的具有特殊用途的擴展模塊來參與控制。因此針對供水系統(tǒng)所存在的問題以及結(jié)合變頻器所具有的優(yōu)勢，可以將ＰＬＣ作為供水系統(tǒng)的控制核心，由ＰＬＣ時時控制變頻器的輸出頻率，以此控制水泵的轉(zhuǎn)速，使供水壓力始終保持恒定，實踐證明采用ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅可以提高供水的穩(wěn)定性和可靠性，而且具有良好的節(jié)能性，維護也很方便。這一特點在能源日益緊缺的今天尤為重要，因此研究并設(shè)計該系統(tǒng)對于提高生產(chǎn)效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。
2、學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計中的實踐
如今，高層供水系統(tǒng)已越來越多地采用變頻恒壓供水方式，其應(yīng)用前景極為廣泛，因此高等院校電工理論專業(yè)可以把“基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計”這一課題作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的典型案例進行了解和學(xué)習(xí)。由于該系統(tǒng)是建立在ＰＬＣ技術(shù)、變頻技術(shù)和電工學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用，因此學(xué)生在設(shè)計之初需要深入學(xué)習(xí)相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)知識，例如ＰＬＣ基本結(jié)構(gòu)、接口配置、程序設(shè)計方法、電機的工作原理、變頻器的參數(shù)設(shè)置等等內(nèi)容。
變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)實質(zhì)上是為了滿足用戶對供水量的需求，即供水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)瞬間的壓力變化自動調(diào)整運行參數(shù)以控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)水泵電機的運行臺數(shù)和轉(zhuǎn)速，改變水泵的出水量，使系統(tǒng)水壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)恒壓供水。學(xué)生在明確以上設(shè)計要求后應(yīng)首先了解這一系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，充分理解實現(xiàn)該設(shè)計任務(wù)所產(chǎn)生的社會意義，接下來需要詳細(xì)分析供水系統(tǒng)的工作原理、特性以及結(jié)構(gòu)組成，在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的硬件配置，包括ＰＬＣ和變頻器等設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置，組建系統(tǒng)主電路及控制電路圖，編寫ＰＬＣ控制程序，分析采用ＰＩＤ調(diào)節(jié)原理在實現(xiàn)恒壓供水中的作用和運行效果，zui后得出結(jié)論。
以ＰＬＣ為主控器的變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)啟動后，安裝在水泵出水管處的壓力變送器會將采集到的出口壓力值轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)電信號送入ＰＬＣ中并與系統(tǒng)壓力設(shè)定值進行比較得出偏差值，再由ＰＬＣ中的ＰＩＤ模塊進行運算后得出調(diào)節(jié)參量送至變頻器中，以此控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)對1號水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，供水量與用水量平衡，水泵工作在變頻運行狀態(tài)。當(dāng)用水量增大而導(dǎo)致管網(wǎng)壓力降低時，系統(tǒng)會通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)以增大電機轉(zhuǎn)速；反之，當(dāng)用水量減少而管網(wǎng)壓力增加時，系統(tǒng)會減小水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)用水量繼續(xù)增加導(dǎo)致變頻器的輸出頻率達(dá)到上限５０Ｈｚ而管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，系統(tǒng)此時會將1號水泵切換至工頻狀態(tài)，同時將變頻器切換至2號水泵，使之變頻啟動運行，因此每當(dāng)水泵達(dá)到zui大轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)都將實施上述切換并將有新的水泵投入運行；當(dāng)用水量下降時變頻泵將降低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)按先開先停的順序逐臺關(guān)閉工頻泵直到下一臺變頻泵運行；當(dāng)夜間用水量很小且只有一臺變頻泵運行時，系統(tǒng)將關(guān)閉主泵、啟動附屬泵來保持管網(wǎng)壓力。

圖1變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過對變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計實踐過程使學(xué)生從以下幾個方面得到提高 ：
（１）了解變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點以及工作流程，掌握系統(tǒng)中主要設(shè)備的使用方法。
（２）掌握ＰＩＤ控制原理、算法和ＰＩＤ功能的實現(xiàn)以及ＰＬＣ在恒壓供水系統(tǒng)中對模擬量的處理過程。
（３）合理選用ＰＬＣ 型號，選擇適合系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ端口配置，熟悉變頻器的性能特點及技術(shù)指標(biāo)，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求選擇參數(shù)設(shè)置與調(diào)試方法；在確定系統(tǒng)控制方案后，根據(jù)系統(tǒng)的供水需求選擇合理的水泵電機容量型號和參數(shù)設(shè)置。
（４）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計出變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成，準(zhǔn)確地完成主電路和控制電路的連線，完整地分析系統(tǒng)控制流程，并參照流程圖編寫ＰＬＣ軟件程序。
（５）學(xué)生還要對自主設(shè)計的控制程序進行硬件和軟件的反復(fù)測試并進行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，以期達(dá)到*控制效果，zui后還要對系統(tǒng)調(diào)試以及運行結(jié)構(gòu)進行分析和總結(jié)，得出結(jié)論。
以往電工類的專業(yè)基礎(chǔ)課程通常采取每一門理論課程單獨進行講授和學(xué)習(xí)，因此基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的知識銜接性不夠，造成學(xué)生所學(xué)知識有限，專業(yè)知識結(jié)構(gòu)不夠健全，以致學(xué)生在到實踐應(yīng)用時無從下手。通過對以上課題的理論分析與實踐操作，可以使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識與專業(yè)課程知識真正地融會貫通并應(yīng)用到實際生產(chǎn)中，提高了學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解和綜合應(yīng)用能力，真正做到工學(xué)結(jié)合、學(xué)有所用的目的，實現(xiàn)了學(xué)校與企業(yè)的對接。
目前，變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計正朝著可靠性高、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。未來高智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的供水設(shè)備必將更加適應(yīng)城鎮(zhèn)化建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度、智能樓宇的需求。為了適應(yīng)這一要求，作為系統(tǒng)主控單元的ＰＬＣ產(chǎn)品可以采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議與其他設(shè)備進行組網(wǎng)連接，實現(xiàn)高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)靈活的集中分散式控制系統(tǒng)；此外，隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展和普及，將觸摸屏與ＰＬＣ結(jié)合起來，利用功能強、可視性佳、操作簡便的組態(tài)軟件系統(tǒng)，再配合Ｗｉｎｄｏｗｓ軟件平臺形成功能強大的控制管理系統(tǒng)，可以完成例如系統(tǒng)參數(shù)配置、監(jiān)控水泵運行狀態(tài)，實時檢測系統(tǒng)故障等任務(wù)，同時還能簡化系統(tǒng)設(shè)計過程、縮短設(shè)計周期、提高系統(tǒng)的設(shè)計效率，這樣可以真正實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。
如今，國內(nèi)外對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的研究，對于能否適應(yīng)不同的用水場合以及對供水期間電磁兼容性（ＥＭＣ）的分析與研究還不夠完善，因此，有待于今后研究人員進一步探討和改善供水系統(tǒng)的工作性能，以便能被更好地適用于生產(chǎn)、生活實踐中。
變頻恒壓供水系統(tǒng)是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的節(jié)能效果。通過對基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的深入研究與實踐，使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計過程中加深了對ＰＬＣ技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的理解，學(xué)生在實踐技能及創(chuàng)新能力方面得到很大的提高，也為學(xué)生今后從事相關(guān)工作提供了豐富的經(jīng)驗。