PLC變頻恒壓供水系統的設計分析

近年來，伴隨著城市化建設的不斷發展，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水泵電動機組成，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和裝備設計出性能好、節能性高、并且能適應不同領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，由電機帶動水泵的旋轉以實現供水。由電機工作原理可知，當電機極對數不變時，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，實現電機的無級調速，這就是實現電機變頻調速的基本原理，因此供水系統變頻的實質就是實現對電機的變頻調速。采用這一供水系統時必須使用到一種裝置—變頻器，它可以把電網提供的恒壓恒頻交流電轉變為０～５０Ｈｚ可調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、及時地控制變頻器的輸出頻率，實現對水泵電機的轉速控制。
可編程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是專為在工業環境下應用的數字運算操作系統，它具有體積小，功能強，編程簡單，可靠性高等優點，如今已廣泛用于工業生產及生活等各個方面。鑒于ＰＬＣ 產品的系列化和模塊化特點，用戶可以根據工業要求選擇不同的具有特殊用途的擴展模塊來參與控制。因此針對供水系統所存在的問題以及結合變頻器所具有的優勢，可以將ＰＬＣ作為供水系統的控制核心，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效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。
2、學生在畢業設計中的實踐
如今，高層供水系統已越來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業可以把“基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統的設計”這一課題作為學生畢業設計的典型案例進行了解和學習。由于該系統是建立在ＰＬＣ技術、變頻技術和電工學等學科的綜合應用，因此學生在設計之初需要深入學習相關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質上是為了滿足用戶對供水量的需求，即供水系統根據管網瞬間的壓力變化自動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，實現恒壓供水。學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展現狀，充分理解實現該設計任務所產生的社會意義，接下來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ＰＬＣ控制程序，分析采用ＰＩＤ調節原理在實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換為４～２０ｍＡ的標準電信號送入ＰＬＣ中并與系統壓力設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節參量送至變頻器中，以此控制變頻器的輸出頻率，實現對1號水泵的轉速調節，當管網壓力達到設定值時轉速穩定，供水量與用水量平衡，水泵工作在變頻運行狀態。當用水量增大而導致管網壓力降低時，系統會通過ＰＩＤ調節以增大電機轉速；反之，當用水量減少而管網壓力增加時，系統會減小水泵的轉速。當用水量繼續增加導致變頻器的輸出頻率達到上限５０Ｈｚ而管網壓力仍未達到設定值時，系統此時會將1號水泵切換至工頻狀態，同時將變頻器切換至2號水泵，使之變頻啟動運行，因此每當水泵達到zui大轉速時，系統都將實施上述切換并將有新的水泵投入運行；當用水量下降時變頻泵將降低轉速，系統按先開先停的順序逐臺關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，系統將關閉主泵、啟動附屬泵來保持管網壓力。

圖1變頻恒壓供水系統結構圖
通過對變頻恒壓供水系統的設計實踐過程使學生從以下幾個方面得到提高 ：
（１）了解變頻恒壓供水系統的結構特點以及工作流程，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功能的實現以及ＰＬＣ在恒壓供水系統中對模擬量的處理過程。
（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及技術指標，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，完整地分析系統控制流程，并參照流程圖編寫ＰＬＣ軟件程序。
（５）學生還要對自主設計的控制程序進行硬件和軟件的反復測試并進行系統參數的調整，以期達到*控制效果，zui后還要對系統調試以及運行結構進行分析和總結，得出結論。
以往電工類的專業基礎課程通常采取每一門理論課程單獨進行講授和學習，因此基礎課與專業課之間的知識銜接性不夠，造成學生所學知識有限，專業知識結構不夠健全，以致學生在到實踐應用時無從下手。通過對以上課題的理論分析與實踐操作，可以使學生將基礎理論知識與專業課程知識真正地融會貫通并應用到實際生產中，提高了學生對基礎理論知識的理解和綜合應用能力，真正做到工學結合、學有所用的目的，實現了學校與企業的對接。
目前，變頻恒壓供水系統的設計正朝著可靠性高、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。未來高智能化、系列化、標準化的供水設備必將更加適應城鎮化建設、網絡供水調度、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產品可以采用的網絡系統和通信協議與其他設備進行組網連接，實現高速、穩定的數據交換，從而實現靈活的集中分散式控制系統；此外，隨著觸摸屏技術的發展和普及，將觸摸屏與ＰＬＣ結合起來，利用功能強、可視性佳、操作簡便的組態軟件系統，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，實時檢測系統故障等任務，同時還能簡化系統設計過程、縮短設計周期、提高系統的設計效率，這樣可以真正實現對供水系統的實時遠程監控。
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的工作性能，以便能被更好地適用于生產、生活實踐中。
變頻恒壓供水系統是一項有效的節能降耗技術，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。通過對基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統的深入研究與實踐，使學生在畢業設計過程中加深了對ＰＬＣ技術及變頻調速技術的理解，學生在實踐技能及創新能力方面得到很大的提高，也為學生今后從事相關工作提供了豐富的經驗。