基于PLC變頻恒壓供水自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張少波

摘 要：傳統(tǒng)的供水方式主要有：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、單片機(jī)變頻調(diào)速供水等，無論是在系統(tǒng)的可靠性、供水效率或者節(jié)約能源的問題上都是存在著許多的不足和缺陷。現(xiàn)在的供水模式向著高效節(jié)能、自動(dòng)化程度較高的方向發(fā)展，所以利用最新的科學(xué)技術(shù)手段，通過變頻技術(shù)控制的恒壓供水自動(dòng)化系統(tǒng)在我們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅嗽絹碓綇V泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PLC;恒壓供水;控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1 恒壓供水的控制目標(biāo)

滿足用戶對(duì)流量的要求是供水系統(tǒng)的控制目標(biāo)，而流量的大小取決于水泵的揚(yáng)程，但是對(duì)水泵揚(yáng)程的測量與控制比較困難。設(shè)Qg為供水能力，Qn為用水需求量，p為管道中水壓，則三者之間的平衡關(guān)系如下：

當(dāng)供水能力Qg大于用水需求量Qn時(shí)，則水壓p上升;

當(dāng)供水能力Qg小于用水需求量Qn時(shí)，則水壓p下降;

當(dāng)供水流量Qg等于用水需求量Qn時(shí)，則水壓p不變。

所謂供水能力是指水泵所能提供的水流量，其大小取決于水泵的容量大小和管道的阻力情況。而用水流量是指用戶實(shí)際使用的需求量，其大小取決于用戶的用水量。因此，供水能力和用水流量之間的矛盾主要反應(yīng)在水壓力的變化上。所以，控制了水壓力也就相應(yīng)地控制了流量，這就是恒壓供水所要控制的最根本目標(biāo)。

2 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)的外部設(shè)備主要為主供水回路、備用回路、清水池及泵房。其中，泵房里有三臺(tái)水泵電機(jī)，在出水管道中均裝有手動(dòng)或電動(dòng)蝶閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用。三臺(tái)水泵由變頻器控制轉(zhuǎn)速，根據(jù)用水量的變化不斷調(diào)節(jié)以維持生活用水的恒壓供應(yīng)。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求提出通用變頻器+PLC 的控制方式。這種控制方式通用性強(qiáng)，靈活可靠。用戶可根據(jù)不同的控制要求組成不同規(guī)模的系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

壓力傳感器通常被安放在泵站的出水口位置，其主要作用是對(duì)管網(wǎng)中的水壓進(jìn)行檢測。一般來說，在用水量較大的時(shí)段，水壓通常偏低;在用水量較小的時(shí)段，水壓通常會(huì)升高。對(duì)于這種壓力的變化，壓力傳感器通常會(huì)把水壓的高低變化情況轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)或是電壓信號(hào)大小的變化，并且傳遞給調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器內(nèi)有事先設(shè)定好的水管壓力給定值，在接收到壓力傳感器給定的管網(wǎng)水壓實(shí)測值之后，其就會(huì)根據(jù)給定值和實(shí)測值的具體情況進(jìn)行綜合分析處理，然后依照相關(guān)的調(diào)節(jié)規(guī)律，發(fā)出相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)。

比如，調(diào)節(jié)器在接收到水壓實(shí)測值之后，通過與給定值做差比較發(fā)現(xiàn)實(shí)測值比給定值小，這意味著系統(tǒng)水壓達(dá)不到理想水壓要求，比較發(fā)現(xiàn)實(shí)測值比給定值大，表明系統(tǒng)水壓已經(jīng)超過了理想水壓，此時(shí)調(diào)節(jié)器就會(huì)發(fā)出信號(hào)使水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。另外，調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)通常為在 4mA—20mA 范圍間變化的電流信號(hào)或者是 0V—10V 范圍間變化的電壓信號(hào)，這些模擬信號(hào)的量值一般與之前提到的給定值和實(shí)測值的差值成比例變化，以此驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備。對(duì)于變頻恒壓供水系統(tǒng)而言，變頻器就是其執(zhí)行設(shè)備。調(diào)節(jié)器就會(huì)發(fā)出信號(hào)使水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速提升。

2.2 供水系統(tǒng)工作流程

第一，系統(tǒng)通電啟動(dòng)，變頻器啟動(dòng)后拖動(dòng)水泵電機(jī)M1工作，然后PLC 計(jì)算出變頻器的輸出頻率，根據(jù)這一輸出頻率由變頻器調(diào)節(jié)M1的轉(zhuǎn)速，水泵電機(jī)M1工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)測得的輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，供水量與用水量基本達(dá)到平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

第二，當(dāng)測得的水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的信號(hào)將會(huì)減小，說明此時(shí)用水量在增加，水壓的偏差值增大，變頻器根據(jù)偏差值調(diào)節(jié)輸出頻率控制水泵電機(jī)增速，當(dāng)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到新的穩(wěn)定值時(shí)，也就滿足了此時(shí)的供水需求。反之，當(dāng)測得水壓增加時(shí)，變頻器根據(jù)偏差值調(diào)節(jié)輸出頻率，減小水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到新的穩(wěn)定值。

第三，當(dāng)測得水壓增加時(shí)，變頻器降低輸出頻率，若此時(shí)頻率仍然低于下限頻率，仍然不能使實(shí)際水壓低于設(shè)定壓力時(shí)，若減泵的條件，PLC將發(fā)出指令工頻運(yùn)行狀態(tài)下的水泵M2關(guān)掉，減小水壓至設(shè)定值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在自動(dòng)運(yùn)行方式下開始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先檢測水池水位，若水池水位符合設(shè)定水位要求，1#泵變頻交流接觸器吸合，電機(jī)與變頻器連通，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時(shí)壓力變送器檢測壓力信號(hào)反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運(yùn)算后控制變頻器的頻率輸出;如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時(shí)一定時(shí)間后，將1#泵切換為工頻，2#泵變頻交流接觸器吸合，變頻啟動(dòng)2#水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達(dá)到設(shè)定壓力，依次類推增加水泵。

如用水量減小，出水壓力超過設(shè)定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。

4 結(jié)語

通過引入變頻器的PID調(diào)節(jié)，能夠根據(jù)小區(qū)用戶實(shí)際的用水需求來對(duì)網(wǎng)管的壓力進(jìn)行設(shè)定，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)水泵的輸出水量進(jìn)行自動(dòng)的控制，能夠有效的減少水資源的浪費(fèi);變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，有效的減少了了頻率切換所引起的沖擊，使得管網(wǎng)的壽命增加，從而使恒壓供水系統(tǒng)具有了更高的控制性能和性價(jià)比。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大范圍應(yīng)用，以此導(dǎo)致能量的日益匱乏，因此設(shè)計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)并大力普及它的應(yīng)用來彌補(bǔ)能量緊缺的情況會(huì)變得越來越重要。變頻恒壓供水的控制技術(shù)日漸成熟，但是對(duì)于其未來的發(fā)展仍待深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]柳棟梁.基于PLC的無塔恒壓供水控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].蘭州理工大學(xué)，2016.

[2]李世隆.PLC變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，（33520）：13-14.

[3]韓鸝.基于組態(tài)、變頻器與PLC的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技展望，2015，25（35336）：115.

[4]楊揚(yáng).PLC變頻調(diào)速恒壓供水在供水系統(tǒng)中的實(shí)踐[J].科技與創(chuàng)新，2016，（5103）：104-105.