PLC變頻恒壓供水系統的設計分析

近年來(lái)，伴隨著(zhù)城市化建設的不斷發(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的結構復雜、造價(jià)高、占地面積大，容易造成水的二次污染；而恒速泵供水系統一般是由多個(gè)水泵電動(dòng)機組成，系統在工作期間為適應供水量的變化需要頻繁地起動(dòng)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(huì )產(chǎn)生很大沖擊，從而導致供水設備故障率升高，可靠性降低，其結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，利用現有的成熟技術(shù)和裝備設計出性能好、節能性高、并且能適應不同領(lǐng)域的恒壓供水系統已成為必然趨勢。
1、控制策略
變頻恒壓供水系統由控制器、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(dòng)水泵的旋轉以實(shí)現供水。由電機工作原理可知，當電機極對數不變時(shí)，其轉子的轉速與定子的供電頻率成正比，即只要平滑地調節電機供電頻率就可以連續地調節電機的同步轉速，實(shí)現電機的無(wú)級調速，這就是實(shí)現電機變頻調速的基本原理，因此供水系統變頻的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現對電機的變頻調速。采用這一供水系統時(shí)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變?yōu)椋啊担埃龋烧{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。為此系統中需要設置其控制裝置，以期能夠準確、及時(shí)地控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現對水泵電機的轉速控制。
可編程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用的數字運算操作系統，它具有體積小，功能強，編程簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，如今已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及生活等各個(gè)方面。鑒于ＰＬＣ 產(chǎn)品的系列化和模塊化特點(diǎn)，用戶(hù)可以根據工業(yè)要求選擇不同的具有特殊用途的擴展模塊來(lái)參與控制。因此針對供水系統所存在的問(wèn)題以及結合變頻器所具有的優(yōu)勢，可以將ＰＬＣ作為供水系統的控制核心，由ＰＬＣ時(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，以此控制水泵的轉速，使供水壓力始終保持恒定，實(shí)踐證明采用ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統不僅可以提高供水的穩定性和可靠性，而且具有良好的節能性，維護也很方便。這一特點(diǎn)在能源日益緊缺的今天尤為重要，因此研究并設計該系統對于提高生產(chǎn)效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實(shí)意義。
2、學(xué)生在畢業(yè)設計中的實(shí)踐
如今，高層供水系統已越來(lái)越多地采用變頻恒壓供水方式，其應用前景極為廣泛，因此高等院校電工理論專(zhuān)業(yè)可以把“基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統的設計”這一課題作為學(xué)生畢業(yè)設計的典型案例進(jìn)行了解和學(xué)習。由于該系統是建立在ＰＬＣ技術(shù)、變頻技術(shù)和電工學(xué)等學(xué)科的綜合應用，因此學(xué)生在設計之初需要深入學(xué)習相關(guān)課程的理論基礎知識，例如ＰＬＣ基本結構、接口配置、程序設計方法、電機的工作原理、變頻器的參數設置等等內容。
變頻恒壓供水系統的設計目標實(shí)質(zhì)上是為了滿(mǎn)足用戶(hù)對供水量的需求，即供水系統根據管網(wǎng)瞬間的壓力變化自動(dòng)調整運行參數以控制變頻器的輸出頻率，從而調節水泵電機的運行臺數和轉速，改變水泵的出水量，使系統水壓穩定在一定的范圍內，實(shí)現恒壓供水。學(xué)生在明確以上設計要求后應首先了解這一系統的研究背景和發(fā)展現狀，充分理解實(shí)現該設計任務(wù)所產(chǎn)生的社會(huì )意義，接下來(lái)需要詳細分析供水系統的工作原理、特性以及結構組成，在此基礎上提出系統整體控制方案以及系統的硬件配置，包括ＰＬＣ和變頻器等設備的選型和參數設置，組建系統主電路及控制電路圖，編寫(xiě)ＰＬＣ控制程序，分析采用ＰＩＤ調節原理在實(shí)現恒壓供水中的作用和運行效果，zui后得出結論。
以ＰＬＣ為主控器的變頻恒壓供水系統結構如圖1所示。系統啟動(dòng)后，安裝在水泵出水管處的壓力變送器會(huì )將采集到的出口壓力值轉換為４～２０ｍＡ的標準電信號送入ＰＬＣ中并與系統壓力設定值進(jìn)行比較得出偏差值，再由ＰＬＣ中的ＰＩＤ模塊進(jìn)行運算后得出調節參量送至變頻器中，以此控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現對1號水泵的轉速調節，當管網(wǎng)壓力達到設定值時(shí)轉速穩定，供水量與用水量平衡，水泵工作在變頻運行狀態(tài)。當用水量增大而導致管網(wǎng)壓力降低時(shí)，系統會(huì )通過(guò)ＰＩＤ調節以增大電機轉速；反之，當用水量減少而管網(wǎng)壓力增加時(shí)，系統會(huì )減小水泵的轉速。當用水量繼續增加導致變頻器的輸出頻率達到上限５０Ｈｚ而管網(wǎng)壓力仍未達到設定值時(shí)，系統此時(shí)會(huì )將1號水泵切換至工頻狀態(tài)，同時(shí)將變頻器切換至2號水泵，使之變頻啟動(dòng)運行，因此每當水泵達到zui大轉速時(shí)，系統都將實(shí)施上述切換并將有新的水泵投入運行；當用水量下降時(shí)變頻泵將降低轉速，系統按先開(kāi)先停的順序逐臺關(guān)閉工頻泵直到下一臺變頻泵運行；當夜間用水量很小且只有一臺變頻泵運行時(shí)，系統將關(guān)閉主泵、啟動(dòng)附屬泵來(lái)保持管網(wǎng)壓力。

圖1變頻恒壓供水系統結構圖
通過(guò)對變頻恒壓供水系統的設計實(shí)踐過(guò)程使學(xué)生從以下幾個(gè)方面得到提高 ：
（１）了解變頻恒壓供水系統的結構特點(diǎn)以及工作流程，掌握系統中主要設備的使用方法。
（２）掌握ＰＩＤ控制原理、算法和ＰＩＤ功能的實(shí)現以及ＰＬＣ在恒壓供水系統中對模擬量的處理過(guò)程。
（３）合理選用ＰＬＣ 型號，選擇適合系統的Ｉ／Ｏ端口配置，熟悉變頻器的性能特點(diǎn)及技術(shù)指標，能夠根據系統設計要求選擇參數設置與調試方法；在確定系統控制方案后，根據系統的供水需求選擇合理的水泵電機容量型號和參數設置。
（４）根據系統控制要求，設計出變頻恒壓供水系統的硬件組成，準確地完成主電路和控制電路的連線(xiàn)，完整地分析系統控制流程，并參照流程圖編寫(xiě)ＰＬＣ軟件程序。
（５）學(xué)生還要對自主設計的控制程序進(jìn)行硬件和軟件的反復測試并進(jìn)行系統參數的調整，以期達到*控制效果，zui后還要對系統調試以及運行結構進(jìn)行分析和總結，得出結論。
以往電工類(lèi)的專(zhuān)業(yè)基礎課程通常采取每一門(mén)理論課程單獨進(jìn)行講授和學(xué)習，因此基礎課與專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識結構不夠健全，以致學(xué)生在到實(shí)踐應用時(shí)無(wú)從下手。通過(guò)對以上課題的理論分析與實(shí)踐操作，可以使學(xué)生將基礎理論知識與專(zhuān)業(yè)課程知識真正地融會(huì )貫通并應用到實(shí)際生產(chǎn)中，提高了學(xué)生對基礎理論知識的理解和綜合應用能力，真正做到工學(xué)結合、學(xué)有所用的目的，實(shí)現了學(xué)校與企業(yè)的對接。
目前，變頻恒壓供水系統的設計正朝著(zhù)可靠性高、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。未來(lái)高智能化、系列化、標準化的供水設備必將更加適應城鎮化建設、網(wǎng)絡(luò )供水調度、智能樓宇的需求。為了適應這一要求，作為系統主控單元的ＰＬＣ產(chǎn)品可以采用的網(wǎng)絡(luò )系統和通信協(xié)議與其他設備進(jìn)行組網(wǎng)連接，實(shí)現高速、穩定的數據交換，從而實(shí)現靈活的集中分散式控制系統；此外，隨著(zhù)觸摸屏技術(shù)的發(fā)展和普及，將觸摸屏與ＰＬＣ結合起來(lái)，利用功能強、可視性佳、操作簡(jiǎn)便的組態(tài)軟件系統，再配合Ｗｉｎｄｏｗｓ軟件平臺形成功能強大的控制管理系統，可以完成例如系統參數配置、監控水泵運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測系統故障等任務(wù)，同時(shí)還能簡(jiǎn)化系統設計過(guò)程、縮短設計周期、提高系統的設計效率，這樣可以真正實(shí)現對供水系統的實(shí)時(shí)遠程監控。
如今，國內外對變頻恒壓供水控制系統的研究，對于能否適應不同的用水場(chǎng)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(jìn)一步探討和改善供水系統的工作性能，以便能被更好地適用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐中。
變頻恒壓供水系統是一項有效的節能降耗技術(shù)，目前已在國內外得到了廣泛的應用并取得了良好的節能效果。通過(guò)對基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統的深入研究與實(shí)踐，使學(xué)生在畢業(yè)設計過(guò)程中加深了對ＰＬＣ技術(shù)及變頻調速技術(shù)的理解，學(xué)生在實(shí)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。