自動化水泵供水控制系統研究

吳昱 任繼

摘要：近十數年，自動化技術蓬勃發展，在各個領域大放異彩，不僅僅是我們所熟知的機械領域，電力領域也在不斷普及自動化技術。水泵供水系統中，加入自動化技術可以在很大程度上解放勞動力，十分具有研究意義，本文將針對自動化水泵控制系統進行深入研究。

關鍵詞：水泵；自動化；系統

水資源一直是人類生活必不可少的資源，無論是日常生活，亦或是社會生產，都不能離開它，水泵是輸送水的重要下具，若提高輸送水的效率，能提升人們日常生活質量，可以滿足生產中對水資源的需求，因此，水泵的自動化就顯得尤為重要，傳統的水泵控制系統具有使用周期短，能耗高，電壓不穩等缺點，如果長時間運轉，設備的損耗會加劇，功率受影響極大。目前的水泵自動化供水系統不再使用額定頻率控制，而是將可編程邏輯控制器與中控系統，外加變頻器進行模塊化，組合成一個高度自動化的系統，可以使員廠操作起來更加簡便，也對操作人員的安全提供了保障，降低了成本。變頻器的優勢在于它可根據需求改變頻率，效率提高的同時，降低了能耗，大大的提高了產能。

一、關于水泵的自動控制

水泵的自動化控制包括了輸送水流的周期，地下水源的實時水位，單位時間內水的流量，還包括用戶使用時的電耗能控制，某一參數達到規定值或某一水泵啟、停或開、關時，聯動或閉鎖對其他設備的控制，使用伺服機構的液壓泵對機器的位置或速度進行控制，水泵下作時對體積流量、質量流量、揚程，轉速等參數的控制，對輸入電壓的峰值分析控制等，計算機能夠對水泵進行遠程控制，完成一系列作業，并由室內的控制室采集數據發送回水泵系統讓其自動更改操作命令。

為了保證最大化的實現水泵系統自動完成各種操作，水泵的系統在程序編寫之初就要考慮到后期的升級問題，為了能夠讓用戶自己根據作業要求改變操作順序，應在系統中加入擴展模塊。在安全方面機器故障報警程序也必不可少，為了降低故障率和損壞率，水泵系統應能在機器過熱，轉軸停止運轉，水流停止輸出的時候第一時間發出故障警告，并第一時間檢查故障和維修，避免機器的損壞。

如同熱水壺一樣，一些蓄水池有著貯水的上限和下限，自動控制系統會對水位實時監控，采集水位數據，在水將滿時配置多個水泵下作，水不足時配置減少水泵下作，避免企業用水時出現水流不足或水壓太大的情況。水泵下作期間，水面的位置，單位時間水流的流量，電機的下作電壓、工作電流，水流對閥門的壓力，泵機廠作時的溫度，以及閥門上拉的程度等數據，都需要采集，采集后傳輸給系統進行分析，以保證機器工作在一個安全的環境下。

二、自動化供水原理

供水系統主要依靠可編程邏輯控制器、變頻器等設備來操作水泵運行，配水管網的壓力變化時，系統可對其進行調節，在水壓過高或過低時穩定水壓來減少能耗。測壓原件傳感器感受到壓力時會將物理壓力參數轉變為電信號傳輸到比例-積分-微分控制器（PID控制器）中，PID控制器計算出這些壓力值后會對機器運行周期進行調節，改變機器當前的運轉速度。PID控制器控制的是標準壓力和水管壓力的差值，這個差值不等于零時，PID控制器在可編程邏輯控制器中會計算這個差值，依據程序中的規律控制PID控制器輸出的值，根據這個輸出的值改變變頻器的周期，以此來改變水管壓力。當這個差值為零時，PID控制器的輸出會產生變化，保證水泵在新的電機轉動速度下保持平衡。PID控制器在系統中起到的作用時減少誤差并縮短系統運行周期。為降低電機在轉換的時間差內電流的波動，變電時的變頻器頻率必須達到五十赫茲，而這時如若輸水不能滿足要求，泵機可切換至額定頻率下下作。

為防止自動系統出現故障時機器宕機，在沒備上會安裝物理按鈕和操作儀，技術人員可手動控制機器的運轉。也可對機器進行故障排查和檢修。

為配合國家節能減排的號召，水泵自動化供水系統使用變頻器來改變水泵的工作方式，能夠節約經濟，降低能耗，智能性高，工作效率高。整個系統被設計成模塊化，最主要的部分是可編程邏輯控制器部分，涵蓋了轉換壓力為電動信號的測壓元件傳感器，智能PID控制器調節儀等元件。測壓元件傳感器和PID控制器將模擬量輸出信號和開關量輸出信號傳遞給設備，由可編程邏輯控制器自行決定泵機的運行時間。運行時間短的優先開啟，以避免自動供水系統程序瀆取時間超時時部分泵機不工作。泵機將數據反饋給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器對水流，機器運行時間進行計算，實現系統對水泵的控制以及執行程序命令。其采集的數據在顯示屏上顯示出來，方便技術工人了解機器運行情況。

中控系統是整個系統的核心，顯示屏上的數據就是中控系統輸出的，中控系統可自行完成水泵的啟動和關閉，還可以通過執行程序更改變頻器的頻率和水流對閥門的壓力，與其他自動化系統不同的是，中控系統可以將遠程采集的數據聚集在一起和標準數據做對比，根據差值改變程序的執行路徑，提高效率。中控系統會將錯誤信息顯示在顯示屏上，方便后期技術人員排查和維修。

水泵自動化供水系統選擇的是SIEMENS的可編程邏輯控制器，以四路模擬量輸入和一路模擬量輸出這一模塊輸出信號。水泵工作時，水流對軸的力越大，轉速越快，而水流對軸的力小的時候，轉速就慢。處理這一情況應采用SIEMENS的MICROMASTER440變頻器，變頻速度快，穩定性強。這種系統一般都會有一個壓力傳感器來記錄壓力值。如果把它當作一個電子元器件來看，壓力變化也會導致它的阻值變化。供水系統主要的模塊是控制和警報模塊，警報模塊在變頻器短路和負載過重的時候會對水泵進行斷電處理并報警。系統的預備參數都寫在初始化里，在出廠的時候已經存在變頻器的峰值和水壓力峰值。PID控制器依據初始標準值對實際誤差進行計算，把控制系統輸出量部分反饋給起始端，對新信號與初始信號比較，再將比較結果輸送給系統進行控制，保持系統的運行穩定。

水泵供水自動化技術運行穩定，可節約生產成本，能耗低，應用價值可觀，將會在我國社會經濟的發展中，不斷的進行技術革新。通過研究水泵供水自動化技術的具體原理以及實際應用，可見的是，它會在供水企業和居民的生活中起到提高效率與質量水平的作用，有效減少資源浪費和企業生產開支，其可變頻性提供了數據調整的功能，對于不同的用戶滿足不同的需求。

參考文獻：

[1]盧定明.基于智能控制器的泵站自動化系統研究[J].電工技術雜志，2007.

[2]肖克儉.中國水能及電氣化[J].智能建筑電氣技術，2006.

[3]王明生.泵站自動化控制系統的設計與實現[J].中國高新才支術企業，2009.