恒壓供水系統在教學實訓中的應用

張松宇

摘 要：近年來，伴隨電子技術的進步，變頻器的使用愈加廣泛價格越來越低。很多小型機電系統，開始采用變頻調速。同時，隨著國家對節能環保的重視，很多廠家使用變頻器對許多老舊系統進行節能改造，使得變頻調速有了更廣闊的空間。針對這種變化，為順應社會發展及技術進步，在我校相關專業的教學實訓中，加入恒壓供水系統，通過對該系統的設計、安裝及調試，讓學生更深刻地理解變頻器的使用方法，以及PLC電氣控制系統的原理及架構，為日后學生在相關領域工作，積累技能與經驗。

關鍵詞：恒壓供水;PLC;變頻器;觸摸屏

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】B 【文章編號】1008-1216（2016）01C-0083-02

供水系統是國民生產和生活中不可或缺的基礎設施。傳統的供水系統中，水泵以工頻運行，由于終端用水量不穩定，從而造成管道壓力波動較大，對設備損害大，浪費能源。

變頻調速當下已是一種成熟的無級調速方式，由于其優良的控制性能被廣泛應用于各種調速場合。其中，恒壓供水是變頻調速應用的一個典型，它有著供水壓力恒定、節約電能、控制可靠等優點。

鑒于此，通過設計和調試一套恒壓供水系統，讓學生了解變頻器的原理和調試方法，通過PLC控制，讓學生掌握PLC電氣控制系統的架構，以及通過HMI（人機界面）來控制變頻器的方法。通過該實訓項目，可以實現以下知識與技能目標：深刻理解理論知識，掌握相關編程指令含義及使用方法;獨立完成一個小型機電控制系統的設計、安裝與調試，提高學生動手能力和解決實際問題的能力。

一、恒壓供水系統介紹

恒壓供水系統，顧名思義就是要保證供水壓力恒定。以自來水管網為例，一般在白天，尤其是做飯時間，用水量較大，管道壓力降低，在夜間用水量較小，管道壓力上升。如果水泵采用工頻運行，那么在用水量大的時候，不能滿足整個管網的用量，而在夜間用水量小的時候，則會造成管道壓力加大，降低設備使用壽命，且浪費電能。

采用恒壓供水系統，系統會自動根據管道壓力傳感器的壓力控制水泵轉速。用水量大，管道壓力降低，水泵高速運行;用水量小，管道壓力基本保持不變，水泵以很低的轉速運行，保持管道壓力即可。水泵功率與轉速的3次方成正比，轉速下降后，水泵輸出功率則以3次方降低。由此可知，水泵低速運行時，恒壓供水節能效果。

二、變頻器簡介

恒壓供水系統，要想改變改變供水壓力，必須改變水泵的轉速。根據電機轉速公式N=60F/P，要想改變電機轉速，有兩個途徑：改變頻率F和改變電機極對數P。電機要想改變極對數，實現起來比較麻煩，而且不能實現無級變速。通過改變頻率F調速，就是變頻調速。變頻調速隨著電力電子技術和微電子技術的發展，向著集成化、數字化和模塊化方向發展，從而使變頻調速裝置的可靠性、經濟性以及系統的性能指標都在不斷提高。

變頻器是一種可以改變電網頻率的電氣設備。現在變頻器主要有兩種變頻方式：交直交和交交變頻方式，受制于內部結構及原理，交交變頻適合于低頻、大功率場合。而交直交變頻器有著更寬的頻率調節范圍，被廣泛地應用于各種傳動裝置。在恒壓供水系統中，選用交直交變頻器。

交直交變頻器第一個環節是整流，一般為三相橋式整流電路，根據變頻器的性能，整流電路分為不可控型、半控型和全控型。性能以全控型整流電路最佳，可以將制動產生的電能回饋到電網，而且變頻器產生的諧波危害更小。這也是日后發展的趨勢。第二個環節是直流濾波，濾波環節有電流型和電壓型的區別。電流型是以電抗器濾波，電壓型是以電容濾波。第三個環節是逆變環節。一般是以全控型電力電子器件IGBT來實現。

電動機因頻率變化導致磁飽和造成勵磁電流增大，引起功率因素和效率的降低，所以，需對變頻器頻率和電壓的比例進行控制，使該比例保持恒定，即V/F控制。這也是變頻器應具備的基本功能，現在隨著微電子技術和電力電子技術的進步，變頻器控制性能不斷提高，完善的保護措施，使其成為可靠的電氣設備。

三、恒壓供水系統架構

根據以上介紹，恒壓供水系統采用PLC進行控制，使用觸摸屏進行參數設定，出于實訓安全考慮，變頻器采用單相交流220V進線。

設計要求：通過觸摸屏可以設定及更改供水壓力，能夠通過按鈕啟停系統，管道壓力發生變化后，系統可以自動調節變頻器轉速，使系統壓力維持在設定值附近。

（一）系統配置

觸摸屏：西門子SMART LINE，具備串口，以太網通信。

中央處理器：西門子S7-200SMART ST40，具備串口、以太網通信。

變頻器：西門子M420，可以進行面板操作、端子控制，通信可選。

恒壓供水系統電氣原理圖

（二）實例說明

該恒壓供水系統，采用S7-200 SMART ST40型PLC作為控制器，S7-200 SMART是西門子公司一款高性價比小型PLC，CPU上集成了最多可達60點的I/O通道，可進行通信端口、數字量、模擬量通道的擴展，更重要的是CPU標配以太網口，支持TCP/IP協議，一根普通的網線就可以將CPU與編程電腦相連，方便快捷。

CPU通過串口與觸摸屏進行通信。觸摸屏上可以設定及更改供水系統壓力，由于實訓室沒有條件安裝壓力傳感器，并提供一個波動的壓力值，我們在觸摸屏上設置了一個通道，可以輸入壓力值，通過改變這個值，模擬管道壓力變化。觀察壓力改變后，系統是否可以按照設計要求，使系統壓力維持在設定值附近運行。

恒壓供水系統啟動和停止，使用PLC外接的按鈕進行控制，電氣圖上設置了一個反轉的按鈕，是用來讓學生了解變頻器的，對于恒壓供水系統無意義。變頻器的調頻信號，通過S7-200 SMART的模擬量擴展模塊EM AM06中的模擬量輸出通道給變頻器提供4-20mA信號。

硬件線路接線具體見圖，要實現恒壓供水，還需要用到一個重要的控制算法——PID。PID是控制理論中經典的控制算法，各種版本的《控制理論》中都有詳細的描述，在這里不再贅述。通過PID的調節功能，在給定了壓力值以后，PID會根據反饋（觸摸屏上模擬壓力的設定值），進行自動調整，輸出調頻信號，控制變頻器轉速，最終達到控制壓力的目的。

S7-200 SMART的編程軟件是STEP7-Micro/WIN SMART，在編程軟件中有PID整定面板，同時，SMART CPU也支持PID自整定功能，這兩項功能相結合，使得這一功能的使用變得更加簡便。另一種辦法就是根據自控理論列出傳遞函數，自己去整定比例、微分的參數，最終實現調節功能。

四、結束語

恒壓供水系統是一個典型的機電控制系統，通過該實訓項目，讓學生對書中的理論知識有系統的認識;其次，通過對系統的設計與調試，讓學生了解一個實實在在的工程從設計到調試各個環節要注意的事項，提高綜合素質，為日后從事相關工作，打下好的基礎。

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