PLC变频恒压供水系统的设计分析

近年来，伴随着城市化建设的不断发展，城市中的高层建筑也在不断增加，因此人们对高层饮用水的质量和可靠性提出了更高的要求。传统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统的结构复杂、造价高、占地面积大，容易造成水的二次污染；而恒速泵供水系统一般是由多个水泵电动机组成，系统在工作期间为适应供水量的变化需要频繁地起动或停止水泵机组，这样不仅使水泵的工作效率低下、使用寿命缩短，而且电机的频繁启停也会产生很大冲击，从而导致供水设备故障率升高，可靠性降低，其结果是既增大水泵机组的功率损耗也浪费了大量的电能。因此，利用现有的成熟技术和装备设计出性能好、节能性高、并且能适应不同领域的恒压供水系统已成为必然趋势。
1、控制策略
变频恒压供水系统由控制器、变频器、压力变送器、水泵和电机等组成，其中水泵和电机通常合并组装在一起，由电机带动水泵的旋转以实现供水。由电机工作原理可知，当电机极对数不变时，其转子的转速与定子的供电频率成正比，即只要平滑地调节电机供电频率就可以连续地调节电机的同步转速，实现电机的无级调速，这就是实现电机变频调速的基本原理，因此供水系统变频的实质就是实现对电机的变频调速。采用这一供水系统时必须使用到一种装置—变频器，它可以把电网提供的恒压恒频交流电转变为０～５０Ｈｚ可调的变压变频交流电并输送给水泵电机，从而改变电机的供电频率。为此系统中需要设置其控制装置，以期能够准确、及时地控制变频器的输出频率，实现对水泵电机的转速控制。
可编程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是专为在工业环境下应用的数字运算操作系统，它具有体积小，功能强，编程简单，可靠性高等优点，如今已广泛用于工业生产及生活等各个方面。鉴于ＰＬＣ 产品的系列化和模块化特点，用户可以根据工业要求选择不同的具有特殊用途的扩展模块来参与控制。因此针对供水系统所存在的问题以及结合变频器所具有的优势，可以将ＰＬＣ作为供水系统的控制核心，由ＰＬＣ时时控制变频器的输出频率，以此控制水泵的转速，使供水压力始终保持恒定，实践证明采用ＰＬＣ控制的变频恒压供水系统不仅可以提高供水的稳定性和可靠性，而且具有良好的节能性，维护也很方便。这一特点在能源日益紧缺的今天尤为重要，因此研究并设计该系统对于提高生产效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
2、学生在毕业设计中的实践
如今，高层供水系统已越来越多地采用变频恒压供水方式，其应用前景极为广泛，因此高等院校电工理论专业可以把“基于ＰＬＣ控制的变频恒压供水系统的设计”这一课题作为学生毕业设计的典型案例进行了解和学习。由于该系统是建立在ＰＬＣ技术、变频技术和电工学等学科的综合应用，因此学生在设计之初需要深入学习相关课程的理论基础知识，例如ＰＬＣ基本结构、接口配置、程序设计方法、电机的工作原理、变频器的参数设置等等内容。
变频恒压供水系统的设计目标实质上是为了满足用户对供水量的需求，即供水系统根据管网瞬间的压力变化自动调整运行参数以控制变频器的输出频率，从而调节水泵电机的运行台数和转速，改变水泵的出水量，使系统水压稳定在一定的范围内，实现恒压供水。学生在明确以上设计要求后应首先了解这一系统的研究背景和发展现状，充分理解实现该设计任务所产生的社会意义，接下来需要详细分析供水系统的工作原理、特性以及结构组成，在此基础上提出系统整体控制方案以及系统的硬件配置，包括ＰＬＣ和变频器等设备的选型和参数设置，组建系统主电路及控制电路图，编写ＰＬＣ控制程序，分析采用ＰＩＤ调节原理在实现恒压供水中的作用和运行效果，最后得出结论。
以ＰＬＣ为主控器的变频恒压供水系统结构如图1所示。系统启动后，安装在水泵出水管处的压力变送器会将采集到的出口压力值转换为４～２０ｍＡ的标准电信号送入ＰＬＣ中并与系统压力设定值进行比较得出偏差值，再由ＰＬＣ中的ＰＩＤ模块进行运算后得出调节参量送至变频器中，以此控制变频器的输出频率，实现对1号水泵的转速调节，当管网压力达到设定值时转速稳定，供水量与用水量平衡，水泵工作在变频运行状态。当用水量增大而导致管网压力降低时，系统会通过ＰＩＤ调节以增大电机转速；反之，当用水量减少而管网压力增加时，系统会减小水泵的转速。当用水量继续增加导致变频器的输出频率达到上限５０Ｈｚ而管网压力仍未达到设定值时，系统此时会将1号水泵切换至工频状态，同时将变频器切换至2号水泵，使之变频启动运行，因此每当水泵达到最大转速时，系统都将实施上述切换并将有新的水泵投入运行；当用水量下降时变频泵将降低转速，系统按先开先停的顺序逐台关闭工频泵直到下一台变频泵运行；当夜间用水量很小且只有一台变频泵运行时，系统将关闭主泵、启动附属泵来保持管网压力。

图1变频恒压供水系统结构图
通过对变频恒压供水系统的设计实践过程使学生从以下几个方面得到提高 ：
（１）了解变频恒压供水系统的结构特点以及工作流程，掌握系统中主要设备的使用方法。
（２）掌握ＰＩＤ控制原理、算法和ＰＩＤ功能的实现以及ＰＬＣ在恒压供水系统中对模拟量的处理过程。
（３）合理选用ＰＬＣ 型号，选择适合系统的Ｉ／Ｏ端口配置，熟悉变频器的性能特点及技术指标，能够根据系统设计要求选择参数设置与调试方法；在确定系统控制方案后，根据系统的供水需求选择合理的水泵电机容量型号和参数设置。
（４）根据系统控制要求，设计出变频恒压供水系统的硬件组成，准确地完成主电路和控制电路的连线，完整地分析系统控制流程，并参照流程图编写ＰＬＣ软件程序。
（５）学生还要对自主设计的控制程序进行硬件和软件的反复测试并进行系统参数的调整，以期达到最佳控制效果，最后还要对系统调试以及运行结构进行分析和总结，得出结论。
以往电工类的专业基础课程通常采取每一门理论课程单独进行讲授和学习，因此基础课与专业课之间的知识衔接性不够，造成学生所学知识有限，专业知识结构不够健全，以致学生在到实践应用时无从下手。通过对以上课题的理论分析与实践操作，可以使学生将基础理论知识与专业课程知识真正地融会贯通并应用到实际生产中，提高了学生对基础理论知识的理解和综合应用能力，真正做到工学结合、学有所用的目的，实现了学校与企业零距离的对接。
目前，变频恒压供水系统的设计正朝着可靠性高、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。未来高智能化、系列化、标准化的供水设备必将更加适应城镇化建设、网络供水调度、智能楼宇的需求。为了适应这一要求，作为系统主控单元的ＰＬＣ产品可以采用专用的网络系统和通信协议与其他设备进行组网连接，实现高速、稳定的数据交换，从而实现灵活的集中分散式控制系统；此外，随着触摸屏技术的发展和普及，将触摸屏与ＰＬＣ结合起来，利用功能强、可视性佳、操作简便的组态软件系统，再配合Ｗｉｎｄｏｗｓ软件平台形成功能强大的控制管理系统，可以完成例如系统参数配置、监控水泵运行状态，实时检测系统故障等任务，同时还能简化系统设计过程、缩短设计周期、提高系统的设计效率，这样可以真正实现对供水系统的实时远程监控。
如今，国内外对变频恒压供水控制系统的研究，对于能否适应不同的用水场合以及对供水期间电磁兼容性（ＥＭＣ）的分析与研究还不够完善，因此，有待于今后研究人员进一步探讨和改善供水系统的工作性能，以便能被更好地适用于生产、生活实践中。
变频恒压供水系统是一项有效的节能降耗技术，目前已在国内外得到了广泛的应用并取得了良好的节能效果。通过对基于ＰＬＣ控制的变频恒压供水系统的深入研究与实践，使学生在毕业设计过程中加深了对ＰＬＣ技术及变频调速技术的理解，学生在实践技能及创新能力方面得到很大的提高，也为学生今后从事相关工作提供了丰富的经验。