丁伶

渤海大學(xué)

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基于PLC恒壓變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁伶

渤海大學(xué)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們的對(duì)供水系統(tǒng)的要求也逐漸提高，目前比較受歡迎的供水系統(tǒng)是變頻供水系統(tǒng)，變頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是控制起來(lái)較便捷，節(jié)能效果佳。現(xiàn)在大多數(shù)的城市中，供水都是通過(guò)采用PLC的變頻技術(shù)來(lái)控制，供水量的多少是按照實(shí)際的需求來(lái)提供的，通過(guò)改變水泵的旋轉(zhuǎn)速度從而控制出水量。PLC的恒壓變頻實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有所提高，同時(shí)也在節(jié)約水資源方面也做出了貢獻(xiàn)，本文主要圍繞著PLC的恒壓變頻的供水系統(tǒng)進(jìn)行展開(kāi)。

PLC 變頻 恒壓 供水系統(tǒng)

節(jié)約環(huán)保，這已經(jīng)是現(xiàn)代社會(huì)保衛(wèi)地球，保衛(wèi)我們的家園的一個(gè)重要的標(biāo)語(yǔ)，在人們生活中，我們不僅僅要考慮用水的時(shí)候水資源的衛(wèi)生性，可靠性，供給性更要以不能浪費(fèi)水資源為主題，水是生命之源，解決水資源就是挽救我們的后代，所以如何改進(jìn)供水系統(tǒng)，使其在節(jié)能方面有所突破這在當(dāng)今社會(huì)是有著重要的研究意義的。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中，供水方式主要有氣壓罐供水，高位的水箱供水，以及恒速泵供水，這些供水方式存在著一些缺點(diǎn)，比如自動(dòng)性能不佳，可靠性低，效率低等等。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)在這個(gè)快速節(jié)奏的社會(huì)了，需要引入改進(jìn)版的供水系統(tǒng)，于是采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行恒壓供水已經(jīng)是一種社會(huì)趨勢(shì)，變頻恒壓的供水方式在性能方面有所提高，而且在節(jié)能的效果方面也有所突破。

1　供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

1.1恒速泵加壓供水

恒速泵加壓供水系統(tǒng)中自動(dòng)性能方面存在著很大的缺點(diǎn)，該供水系統(tǒng)需有投入人力的操作，同時(shí)該供水系統(tǒng)不能根據(jù)用戶(hù)的用水需求量進(jìn)行改變。由于恒速泵的加壓供水系統(tǒng)在自動(dòng)化方面的性能差，所以常常會(huì)遇到兩種極端，分別是機(jī)組處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)和機(jī)組處于超負(fù)荷的狀態(tài)，從而導(dǎo)致了供水的效率低已經(jīng)電能的大量浪費(fèi)的現(xiàn)象。當(dāng)實(shí)際的用水量處于少量的情況下，這時(shí)如果給水泵加壓上水的話(huà)，水泵就會(huì)承受著可能爆炸的可能性，這對(duì)水泵的使用壽命是一種挑戰(zhàn)。

1.2氣壓罐供水

傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中經(jīng)常用到氣壓罐供水，其應(yīng)用性廣泛的原因是因?yàn)闅鈮汗薰┧奖愫?jiǎn)潔，易操作，同時(shí)在用水高度方面沒(méi)有制約，這種傳統(tǒng)的氣壓罐的供水方式在城市中是很受歡迎，然而氣壓罐供水存在的一個(gè)弊端就是指電氣設(shè)備方面的要求比較高，同時(shí)調(diào)節(jié)量很低，不能迎合大部分對(duì)用水量的需求，另一方面當(dāng)水泵在低效段工作時(shí)，這是因?yàn)橥１玫木壒剩员脙?nèi)的壓力會(huì)增加，從而輸出的水壓也會(huì)增加，這種后果是不利于水資源和電能的節(jié)約的，達(dá)不到節(jié)約環(huán)保的目的。

1.3高位水塔供水系統(tǒng)

相比于以上幾個(gè)傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，高位水塔供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面以及操作方面比較簡(jiǎn)單，同時(shí)操作時(shí)的成本也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，即使是該系統(tǒng)維修后也不會(huì)對(duì)用戶(hù)的用水情況造成任何的影響。然而在投入到實(shí)際中的應(yīng)用中去時(shí)，需要把底座建設(shè)高些，這樣有利于加大供水的壓力，所以這樣一來(lái)就會(huì)增加成本的預(yù)算，除此之外由于底座的面積因素導(dǎo)致難以投入到應(yīng)用中去。

2　PLC恒壓變頻供水系統(tǒng)的功能

2.1警示的功能

該功能主要起到一個(gè)報(bào)警的作用，當(dāng)供水系統(tǒng)中的某一個(gè)功能出現(xiàn)故障的時(shí)候，該指示燈就會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的顯示匹配，因?yàn)橹甘緹羰欠旁谥骺刂泼姘迳系?，所以故障發(fā)生的同時(shí)指示燈就會(huì)給出對(duì)應(yīng)的判斷，從而為維修人員節(jié)省了很多的時(shí)間。

2.2水位控制功能

水位控制功能是通過(guò)系統(tǒng)中設(shè)定的水位檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水位檢測(cè)器會(huì)傳回實(shí)時(shí)的水位信息，從而系統(tǒng)可以根據(jù)水位的情況對(duì)閥門(mén)的控制進(jìn)行很好的把握。當(dāng)水位比系統(tǒng)默認(rèn)的值低時(shí)，系統(tǒng)的入水閥門(mén)就會(huì)打開(kāi)；同樣當(dāng)水位比默認(rèn)設(shè)置的值高時(shí)，入水的閥門(mén)就會(huì)關(guān)閉。

2.3超壓保護(hù)功能

供水系統(tǒng)的輸水管網(wǎng)上設(shè)置了壓力傳感器，輸水管網(wǎng)上的壓力是傳送給中央控制器接收的，當(dāng)該壓力超過(guò)了系統(tǒng)設(shè)置的默認(rèn)值時(shí)PLC通過(guò)自動(dòng)控制變頻器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行更改，直到降到合適的值為止。

3　變頻恒壓節(jié)能的原理

供水系統(tǒng)的控制參數(shù)是流量，系統(tǒng)采用的控制方法是閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門(mén)控制法指的是當(dāng)水泵的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，根據(jù)閥門(mén)打開(kāi)的程度來(lái)控制流量。轉(zhuǎn)速控制法指的是當(dāng)閥門(mén)的打開(kāi)程度不變的時(shí)候，通過(guò)水泵發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量。由水泵的變速運(yùn)行2定律，3

可以得出以下公式：

其中Q表示流量，H表示揚(yáng)程，P表示功率。公式1-1中的Q1，H1，P1指的是水泵變速之前的參數(shù)，而Q2，H2，P2指的是水泵變速后的參數(shù)，式中說(shuō)明了水泵的功率之比與轉(zhuǎn)速的立方是成正比的關(guān)系，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比。恒壓變頻的供水系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)設(shè)置泵組的臺(tái)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供水壓力的閉環(huán)控制，該系統(tǒng)的泵組是由PLC何變頻器組成的。恒壓變頻的供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　變頻恒壓供水系統(tǒng)框架圖

從圖1中可以看出壓力傳感器傳送給PLC的電壓信號(hào)的產(chǎn)生是用戶(hù)增加了用水量后，管網(wǎng)里的壓力減小后形成的。接著PLC內(nèi)置的PID控制器就會(huì)對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)頻率增加的時(shí)候，水泵的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)地增加，最后形成一個(gè)穩(wěn)定的局面；如果用戶(hù)減少用水量的時(shí)候，如上所描述的一樣，也可以形成一個(gè)穩(wěn)定的局面。

4　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本論文中討論的系統(tǒng)的軟件核心是PLC，主程序中完成的任務(wù)主要包括了生成泵切換信號(hào)，泵組接觸器邏輯信號(hào)以及設(shè)備的供水情況和設(shè)備的故障情況，以及故障出現(xiàn)后如何進(jìn)行故障提示的。當(dāng)電機(jī)過(guò)載設(shè)備的時(shí)候，熱繼電器就會(huì)把過(guò)載的信號(hào)發(fā)送給PLC，PLC收到后就會(huì)觸發(fā)報(bào)警的設(shè)備，接著就會(huì)采取“過(guò)載處理”的措施。該系統(tǒng)中的軟件之間彼此形成了“互鎖”的狀態(tài)，同時(shí)硬件也實(shí)現(xiàn)了“互鎖”。系統(tǒng)中工作的時(shí)候很可能出現(xiàn)點(diǎn)擊空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，所以為了杜絕這種情況的出現(xiàn)，在設(shè)計(jì)方面引入了液位信號(hào)。該信號(hào)可以處理出現(xiàn)電機(jī)空轉(zhuǎn)的情況。當(dāng)水位比較低的時(shí)候，PLC就會(huì)收到數(shù)字的開(kāi)關(guān)信號(hào)，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，這樣可以有效地避免電機(jī)的損壞。晚上的時(shí)候，由于用水量的需求會(huì)降低，當(dāng)水壓達(dá)到了一個(gè)系統(tǒng)的默認(rèn)值時(shí)，輔泵就會(huì)停止工作，等到該默認(rèn)值是比管網(wǎng)的壓力值高的時(shí)候，輔泵才會(huì)恢復(fù)工作。主程序流程圖如圖2所示。

圖2　主程序流程圖

5　恒壓變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

5.1硬件的選擇

根據(jù)用戶(hù)的日常用水規(guī)律可以分為三個(gè)時(shí)間段，早上，中午，晚上，當(dāng)用水流量需求低的時(shí)候，歸為連續(xù)型流量變化型，用水量需求最大和用水量需求最低之間的差距是很大的。供水壓力的默認(rèn)值的設(shè)置主要是根據(jù)組合工頻泵和變頻泵。恒變頻在節(jié)能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于工頻的水泵30%。

本系統(tǒng)主要選擇的水泵的功率是55kW，一共有三臺(tái)其中主水泵采用的是150SFL160-20x4，輔水泵采用的是50SFL12-15 x5，之所以選擇SFL型號(hào)的水泵是考慮到其壽命周期長(zhǎng)，可靠性強(qiáng)，低噪音等優(yōu)點(diǎn)。電流與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定功率之間的關(guān)系如下所示：

其中上式中的PCM指負(fù)載水泵輸出功率，η指水泵的效率，通常情況下η的取值是在0.85以上，是水泵的電壓，IM是水泵的工頻電流，k 是電流波形修正系數(shù)。同時(shí)滿(mǎn)足以上三個(gè)不等式的就是所需要選擇的變頻器，而本系統(tǒng)選擇的變頻器是MM440。

5.2PLC的選擇

PLC主要應(yīng)用中工業(yè)領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域以及通信領(lǐng)域等等。PLC在整個(gè)恒壓變頻的供水系統(tǒng)中承擔(dān)著重要的角色，PLC將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，然后將計(jì)算的結(jié)果發(fā)送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

6　PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行方式

6.1手動(dòng)控制

手動(dòng)控制的使用場(chǎng)合是檢查設(shè)備的時(shí)候，也可以是在PLC出現(xiàn)故障的時(shí)候通過(guò)手動(dòng)控制的方式進(jìn)行故障的緊急處理，除此之外還可以把其系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)改成工頻，這樣三臺(tái)水泵同時(shí)工作的話(huà)可以盡可能滿(mǎn)足用戶(hù)的對(duì)用水量的最大化需求。6.2 自動(dòng)控制

自動(dòng)控制是PLC恒壓變頻系統(tǒng)中的一個(gè)最重要的控制方式，自動(dòng)控制在PLC系統(tǒng)中占有重要的角色。當(dāng)預(yù)先設(shè)置好系統(tǒng)中相關(guān)的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)閥門(mén)和水泵，可以隨意地在水泵的工頻和水泵的變頻之間進(jìn)行切換。工頻與變頻之間的變化的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)將系統(tǒng)提前設(shè)置的值對(duì)比于從傳感器中發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)，完美地展示了PLC變頻恒壓的自動(dòng)化技術(shù)。

7　結(jié)語(yǔ)

本論文設(shè)計(jì)的基于PLC的變頻恒壓的供水系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中節(jié)約資源方面有很大的貢獻(xiàn)，該系統(tǒng)的供水體現(xiàn)了穩(wěn)定性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)和可靠性高優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)在自動(dòng)化方面充分體現(xiàn)了優(yōu)于傳統(tǒng)供水系統(tǒng)，基于PLC的恒壓變頻的供水系統(tǒng)操作性強(qiáng)，故障處理能力強(qiáng)，而且水泵的使用壽命周期長(zhǎng)。

［1］喬衛(wèi)紅，魏秋紅.基于PLC控制的城市變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)與財(cái)富，2003（02）.

［2］羅麥豐，陳小祝.基于Neza PLC與變頻技術(shù)的直飲水恒壓供水系統(tǒng)［J］.電氣自動(dòng)化，2009（03）.

［3］張小娟.變頻調(diào)速器在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.機(jī)械與電子，2009（9）：66-68.

［4］吳陽(yáng).恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（2）：170-172.

［5］趙華軍.基于通用變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2007（2）：30-31..