機電一體化在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

白夢奎

（山東省招遠(yuǎn)市自來水公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

引言：機電一體化在供水系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價值，需要建立有效的控制方式，合理對變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，實現(xiàn)恒壓供水過程。在設(shè)計過程中，需要注重系統(tǒng)的整體設(shè)計，為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供良好環(huán)境，同時需要加強監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，保障系統(tǒng)能夠安全地運用。

一、機電一體化在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

（一）恒壓穩(wěn)定

機電一體化供水系統(tǒng)具有恒壓穩(wěn)定的特點，將其應(yīng)用在供水系統(tǒng)中具有顯著的優(yōu)勢。在控制方式方面，采用PLC 作為控制器，可以將控制算法編寫進(jìn)控制器，使其具有較強的控制能力，對供水壓力進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。在供水系統(tǒng)中，具有嚴(yán)格的編程邏輯，可以對壓力實現(xiàn)有效調(diào)配，將壓力控制在一定范圍內(nèi)。通過機電一體化技術(shù)，能夠提高供水的自動化能力，使供水方式更加地完善，保障供水的穩(wěn)定性。采用恒壓供水方式，一方面，可以提高供水的效率，利用充足的供水壓力，將自來水供應(yīng)到千家萬戶。另一方面，可以降低電能的消耗，具有良好的解決作用。穩(wěn)壓供水需要借助壓力傳感器實現(xiàn)，同時借助控制器的作用，形成閉環(huán)控制方式，進(jìn)而實現(xiàn)水壓的精確調(diào)節(jié)[1]。

（二）操作方便

機電一體化供水系統(tǒng)操作較為方便，應(yīng)用PLC 控制器后，能夠提高自動控制水平，保障水壓可以自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。在參數(shù)控制方面，采用了PID控制算法，可以對水壓進(jìn)行在線調(diào)節(jié)，形成穩(wěn)定的供水條件，實現(xiàn)穩(wěn)定的供水控制。機電一體化有助于編程邏輯的實現(xiàn)，具有良好的水壓檢測能力，同時采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對供水進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)壓力控制效果。通過控制器可以將各個控制元件結(jié)合起來，對其進(jìn)行統(tǒng)一的管理，并且采用統(tǒng)一的控制方式，進(jìn)而使供水操作更加的方便。由于采用了變頻調(diào)速方式，使調(diào)速控制效果得到較大提升，能夠避免人工采取調(diào)速的方法，進(jìn)而提高水泵調(diào)速控制水平。

（三）智能控制

機電一體化供水系統(tǒng)具有智能控制能力，可以對供水過程進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)，實現(xiàn)供水的穩(wěn)定控制。PLC 控制器可以對水壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，為了進(jìn)一步提升調(diào)節(jié)效果，需要對調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行控制。在供水系統(tǒng)中采用PID控制方式，需要對P、I、D 三個參數(shù)進(jìn)行控制，通常采用在線調(diào)節(jié)方式，使調(diào)節(jié)效果更加地可靠，實現(xiàn)穩(wěn)定的參數(shù)控制，保障供水系統(tǒng)能夠正常工作，形成穩(wěn)定的供水條件。供水系統(tǒng)可以自動進(jìn)行供水活動，實現(xiàn)休眠與喚醒的切換，提高供水的穩(wěn)定性。在供水過程中，監(jiān)控系統(tǒng)具有重要作用，可以對供水狀態(tài)進(jìn)行全面地監(jiān)測，保障供水參數(shù)的合理性，避免供水過程發(fā)生異常狀況，進(jìn)而提高供水的安全性。

二、機電一體化在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

（一）變頻調(diào)速系統(tǒng)

1.供水特點

在供水過程中，受到供水特點的影響，將會為供水帶來一定的困難，導(dǎo)致供水效率下降。常見的供水特點如下：第一，滯后性。供水過程采用水泵進(jìn)行控制，從檢測水壓到變頻調(diào)速，中間需要經(jīng)過一段時間，將會導(dǎo)致控制效果發(fā)生滯后，對水壓控制造成影響。第二，時變性。受到用戶用水量的影響，水壓將會受到較大的影響，并且呈現(xiàn)規(guī)律的變化狀態(tài)，無法建立時間與水壓的變化關(guān)系，進(jìn)而使供水過程具有時變性。第三，非線性。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非線性特征，容易受到自身特性的影響，需要做好非線性控制工作，合理地對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。第四，多變性。受到管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響，在供水量方面將會發(fā)生一定的變化，使供水系統(tǒng)具有多變性[2]。

2.水泵參數(shù)

在采用變頻調(diào)速方式前，需要對水泵參數(shù)進(jìn)行了解，可以在水泵銘牌上進(jìn)行查看，進(jìn)而保障供水系統(tǒng)設(shè)計的合理性。水泵主要控制參數(shù)如下：第一，流量Q，是衡量水流速度的物理量，單位為m3/h，需要對其做好監(jiān)測工作。第二，揚程H，可以在一定程度上衡量水壓的大小，單位為m。第三，功率Ne，能夠體現(xiàn)供水的總能值，計算方法如下：Ne ＝ρQH/1000。其中，ρ 為流體密度。第四，轉(zhuǎn)速n，是變頻調(diào)速的重要控制量，單位r/min，是實現(xiàn)變頻控制的關(guān)鍵。第五，效率η，是衡量變頻調(diào)速效率的物理量，為有效功率Ne 與軸功率N的比值，即η ＝Ne/N。水泵參數(shù)是實現(xiàn)穩(wěn)定變頻調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可以保障變頻調(diào)速的實現(xiàn)。

3.調(diào)速機理

水泵采用三相異步電機進(jìn)行控制，具有穩(wěn)定的調(diào)速機制，有助于變頻調(diào)速方式的實現(xiàn)。電機轉(zhuǎn)速由電壓頻率進(jìn)行控制，通常情況下，電壓頻率越高，電機轉(zhuǎn)速就會越快。在供水系統(tǒng)中，采用壓力傳感器對水壓進(jìn)行檢測，當(dāng)水壓發(fā)生變化時，會將變化情況傳遞給控制器，再由控制器對水泵的電壓頻率進(jìn)行控制，這樣便可以對水流的速度進(jìn)行控制，實現(xiàn)良好的水壓調(diào)節(jié)效果。同時，水泵變頻調(diào)速可以起到一定的節(jié)能效果，可以對水泵的控制開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使水泵工作效率得到提升。另外，通過變頻控制可以避免水泵出現(xiàn)超載現(xiàn)象，使水泵產(chǎn)生熱量積累，導(dǎo)致額外的電能消耗，導(dǎo)致電能出現(xiàn)浪費。

（二）恒壓供水系統(tǒng)

1.控制器選擇

主要工程項目：液壓鋼壩閘3座、格賓石籠生態(tài)護(hù)岸10km、景觀林帶800萬m2、河道疏浚清淤75萬m3。項目總投資為3.1億元。

恒壓供水系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，具有穩(wěn)定的控制效果，保障供水壓力的恒定。PLC 控制器具有豐富的觸點，可以與外界建立有效的連接，實現(xiàn)良好的控制關(guān)系。PLC 為西門子系列，可以對硬件電路進(jìn)行控制，實現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)作用。硬件電路包括變頻器、壓力傳感器等，控制器需要與兩者建立連接關(guān)系，這樣便可以對水泵形成控制。壓力傳感器是供水壓力檢測的關(guān)鍵，可以將壓力變化傳遞給控制器，由控制器對供水壓力進(jìn)行分析，并且采用相應(yīng)的控制算法，將控制信號傳遞給變頻器，進(jìn)而對水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過控制器可以建立供水壓力與水泵頻率之間的關(guān)系，進(jìn)而起到恒壓控制作用[3]。

2.控制算法

供水壓力需要采用閉環(huán)控制方式，建立有效的反饋調(diào)節(jié)機制，保障供水壓力的恒定。供水壓力采用PID 控制方式，控制的重點在于PID 參數(shù)的調(diào)節(jié)，提高參數(shù)控制的穩(wěn)定性。PID 是一種較為經(jīng)典的控制方式，具有控制效果穩(wěn)定的特點，有助于閉環(huán)反饋控制的形成。PID 控制參數(shù)為比例P、積分I、微分D，需要采用動態(tài)調(diào)節(jié)的形式，對三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。受到用戶用水的影響，水壓會不斷發(fā)生變化，通過PID 控制可以將水壓限定在一定的范圍，實現(xiàn)穩(wěn)定的水壓供應(yīng)。因此，需要對PID 參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以此來應(yīng)對變化的水壓情況，不斷對控制參數(shù)進(jìn)行修正，使控制器能夠穩(wěn)定地工作。

3.仿真分析

為了保障PID 控制的可靠性，需要對供水系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過Matlab軟件對控制參數(shù)進(jìn)行仿真，確定PID 控制方法的有效性。供水系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，需要將水泵、傳感器、變頻器等考慮到仿真過程中，并且對傳遞函數(shù)進(jìn)行求解，使供水系統(tǒng)仿真能夠順利地實現(xiàn)。通過Matlab 軟件可以得到階躍響應(yīng)曲線，通過曲線可以對供水控制效果進(jìn)行判斷，并且方便對PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高參數(shù)對系統(tǒng)的適應(yīng)性。階躍曲線先上升，再波動，最后趨于穩(wěn)定的曲線，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的時間越短，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越高，表明PID 控制具有良好的效果，進(jìn)而為供水系統(tǒng)的控制提供依據(jù)。

（三）控制系統(tǒng)整體設(shè)計

1.執(zhí)行部分

供水系統(tǒng)的執(zhí)行部分主要由水泵組成，可以滿足日常供水需求，保障供水管壓的平衡。通過執(zhí)行部分可以將蓄水池中的水引入到管網(wǎng)，由PLC對變頻器進(jìn)行控制，使水泵能夠在一定的壓力頻率下進(jìn)行工作，保障水壓控制的穩(wěn)定性。變頻器是實現(xiàn)水泵控制的關(guān)鍵，對維系水壓平衡具有重要作用，需要將兩者有效地進(jìn)行結(jié)合，實現(xiàn)良好的控制效果。PLC 作為控制中心進(jìn)行使用，是控制變頻器的重要設(shè)備，能夠?qū)毫π盘栠M(jìn)行收集與處理，制定合理的變頻器調(diào)節(jié)方案，對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時保障轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。

2.信號處理

PLC 會對信號信息進(jìn)行匯總，制定出有效的控制策略，使供水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。在供水系統(tǒng)中，主要包含以下信號：第一，水位信號。可以了解水位的變化情況，對蓄水池水位進(jìn)行控制，實現(xiàn)持續(xù)化地供水過程，有助于供水的穩(wěn)定控制。第二，壓力信號。用于對供水壓力進(jìn)行檢測，保障供水壓力的穩(wěn)定性，為水壓控制提供有效的基礎(chǔ)。第三，報警信號。一旦水壓超出一定范圍，需要立即產(chǎn)生報警，同時對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使供水壓力能夠快速恢復(fù)。信號由傳感器進(jìn)行捕獲，PLC 進(jìn)行處理，變頻器進(jìn)行控制，最終由水泵進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)供水系統(tǒng)的控制。

3.人機交互

在供水系統(tǒng)中，需要注重人機交互的實現(xiàn)，既要將供水情況反饋給工作人員，又要實現(xiàn)外部對系統(tǒng)的控制。人機交互主要包含三個方面：第一，信息顯示。供水過程中系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，方便工作人員對供水情況進(jìn)行查看，進(jìn)而對供水信息進(jìn)行排查。第二，實時監(jiān)測。為了保障供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要實時進(jìn)行監(jiān)測，使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r得到展示，防止供水過程中出現(xiàn)問題。第三，水壓報警。當(dāng)水壓發(fā)生異常變化時，需要立即產(chǎn)生報警，提醒工作人員對供水系統(tǒng)進(jìn)行分析，使水壓問題能夠及時被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而實現(xiàn)良好的供水質(zhì)量。

（四）監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.監(jiān)控界面

為了保障供水系統(tǒng)的監(jiān)控效果，需要對監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計，使監(jiān)控手段更加地完善。監(jiān)控界面采用WinCC 進(jìn)行設(shè)計，可以與PLC 建立有效的通信關(guān)系，通過可視化的界面對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高供水過程的可靠性。監(jiān)控界面具有豐富的組態(tài)信息，可以對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)顯示，實時對供水壓力進(jìn)行檢測，進(jìn)而實現(xiàn)供水壓力的顯示。監(jiān)控界面需要易于進(jìn)行操作，合理對主界面進(jìn)行設(shè)計，由主界面來調(diào)度其它界面，對供水系統(tǒng)進(jìn)行全面地顯示，使界面之間能夠穩(wěn)定顯示。通過監(jiān)控界面可以對供水系統(tǒng)進(jìn)行手動控制，對其進(jìn)行主動調(diào)節(jié)，對工作狀態(tài)進(jìn)行控制[4]。

2.報警信息

在供水系統(tǒng)中，需要做好報警消息的設(shè)置，一旦供水壓力發(fā)生波動，需要立即產(chǎn)生報警，對工作人員進(jìn)行提醒。在供水壓力方面，需要將其穩(wěn)定在一定范圍，當(dāng)供水壓力不在該范圍后，將會立即產(chǎn)生報警信息，使水壓問題得到及時解決。在正常工作條件下，PLC控制器可以對水壓自動調(diào)節(jié)，對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而實現(xiàn)供水壓力的控制。在這種情況下，并不會產(chǎn)生報警信息，往往在供水系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動時才會產(chǎn)生報警信息，一方面，說明供水壓力發(fā)生較大的變化，系統(tǒng)來不及對水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一方面，說明供水系統(tǒng)可能存在故障，需要對其進(jìn)行檢修。無論何種情況的報警，都需要引起足夠的重視，及時對報警問題進(jìn)行處理。

3.數(shù)據(jù)展示

供水系統(tǒng)監(jiān)控過程中，需要對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示，方便工作人員對供水信息進(jìn)行查看，進(jìn)而對運行情況進(jìn)行判斷。在供水監(jiān)控系統(tǒng)中，具有多種數(shù)據(jù)顯示形式，如報表、圖形等，使供水?dāng)?shù)據(jù)的顯示更加地直觀，實現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)展示效果。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，可由Microsoft Excel 實現(xiàn)打印，在系統(tǒng)外部對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。數(shù)據(jù)打印功能可由WinCC的C 腳本進(jìn)行設(shè)計，與打印按鈕進(jìn)行配合，進(jìn)而保障數(shù)據(jù)展示功能的實現(xiàn)。

結(jié)論：綜上所述，機電一體化可以提高供水系統(tǒng)的供水質(zhì)量，做好應(yīng)用工作較為必要，能夠提高對供水壓力的控制效果，保障供水的穩(wěn)定性。而且，采用機電一體化有助于電能的控制，并且可以降低水資源的消耗，是一種節(jié)能化的供水方式，進(jìn)而促進(jìn)供水公司的發(fā)展。