楊揚(yáng)

摘 要：近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平在不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量也有了更高的要求。在傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中，恒速供水和高塔供水與人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生產(chǎn)、生活用水需求之間產(chǎn)生了矛盾。為了提高供水質(zhì)量和供水效率，滿足人們的生產(chǎn)、生活用水需求，需要借助PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的強(qiáng)大功能。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水；供水系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.104

隨著第三次科技革命在世界范圍內(nèi)的影響不斷加深，各種先進(jìn)技術(shù)為經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。隨著PLC技術(shù)的不斷完善，其在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用也日趨成熟，逐漸形成了現(xiàn)在的PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。新型供水系統(tǒng)的應(yīng)用，一方面，改善了傳統(tǒng)的間斷式供水方式，解除了供水系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)和生活用水的束縛；另一方面，有效解決了管路壓力的調(diào)節(jié)問(wèn)題和能耗問(wèn)題。

1 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析

1.1 PLC變頻調(diào)速概念

所謂的“PLC”，是指可編程邏輯控制器，是能夠編程的存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部程序的存儲(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，PLC是集順序控制、邏輯運(yùn)算、算數(shù)操作等功能于一體的面向用戶的指令。

1.2 PLC變頻調(diào)速原理

PLC變頻調(diào)速功能的實(shí)現(xiàn)，主要得益于內(nèi)部的異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可采用以下公式計(jì)算：

n=60f（1-s）/p. （1）

式（1）中：n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s；f為電網(wǎng)頻率，Hz；s為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率；p為極對(duì)數(shù)。

從式（1）中不難看出，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電網(wǎng)頻率f成正比，通過(guò)改變電網(wǎng)頻率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的改變。當(dāng)電網(wǎng)頻率f介于1～50 Hz之間時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)范圍最佳。由此可見，PLC變頻調(diào)速功能是通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率實(shí)現(xiàn)的。

2 新型供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制流程

2.1 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC和變頻調(diào)速器控制的恒壓供水系統(tǒng)，控制和保護(hù)功能完善，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益突出。所謂的“恒壓供水”，是指無(wú)論何時(shí)、無(wú)論用水量多大，用戶端管網(wǎng)水壓總處于恒定狀態(tài)。在恒壓供水方式下，可以采用的控制策略通常是借助PLC和變頻調(diào)速裝置控制泵組，通過(guò)對(duì)泵組運(yùn)行臺(tái)數(shù)的控制，形成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)，供水壓力也能夠被控制在基本恒定的狀態(tài)，從而有效降低了能源消耗。

PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要包括信號(hào)檢測(cè)裝置、控制器、變頻器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電控設(shè)備和警報(bào)裝置。信號(hào)檢測(cè)裝置主要承擔(dān)水壓信號(hào)和液位信號(hào)的檢測(cè)工作。其中，水壓信號(hào)是系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)，水壓信號(hào)檢測(cè)是反映永固管網(wǎng)水壓值的重要方式。而液位信號(hào)檢測(cè)則是對(duì)水泵進(jìn)水水源的檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)，能夠?qū)ο到y(tǒng)起到有效的保護(hù)作用，防止水泵因干抽而受損?？刂破髯鳛镻LC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的核心，主要承擔(dān)檢測(cè)信號(hào)的分析工作，并通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)水泵進(jìn)行控制。變頻器在供水系統(tǒng)中能夠起到有效控制運(yùn)行頻率的作用。控制器向變頻器輸送信號(hào)，變頻器根據(jù)信號(hào)改變運(yùn)行頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的控制。變頻器的另一功能是充當(dāng)電源，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，保持管網(wǎng)水壓處于恒定狀態(tài)。壓力變送器主要用于管網(wǎng)水壓的檢測(cè)。通過(guò)使用PID智能調(diào)節(jié)器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管網(wǎng)水壓的調(diào)節(jié)。PLC控制單元是執(zhí)行設(shè)備的一種，既是泵組管理命令的執(zhí)行者，又是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制者，通過(guò)感知水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)工頻泵的自動(dòng)控制。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由水泵構(gòu)成，其主要功能是將水資源送入用戶管網(wǎng)。水泵主要由調(diào)速泵和輔助泵構(gòu)成，調(diào)速泵受到變頻調(diào)速器的控制后，能根據(jù)水量適時(shí)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持水壓恒定；只有處于工頻狀態(tài)時(shí)，輔助泵才能運(yùn)行，適用于夜間等用水量不大的情況。電控設(shè)備主要包括繼電器、接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件。此外，報(bào)警裝置也是供水系統(tǒng)必不可少的組成部分。為了保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，防止過(guò)電壓、過(guò)電流、缺水等故障發(fā)生，需要對(duì)主電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC的報(bào)警判別，執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。

2.2 PLC變頻調(diào)速恒壓供水原理

將壓力傳感器應(yīng)用于出水管網(wǎng)后，壓力信號(hào)就會(huì)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入變頻器的調(diào)節(jié)器中，通過(guò)運(yùn)算，得出具體的壓力參數(shù)，并與給定的壓力參數(shù)對(duì)比后，得出調(diào)節(jié)參數(shù)；接著，調(diào)節(jié)參數(shù)被傳送到變頻器，變頻器通過(guò)控制水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)供水量，并維持供水管網(wǎng)中的壓力處于恒定狀態(tài)。當(dāng)用水量過(guò)大或過(guò)小時(shí)，可以通過(guò)PLC控制器的加減泵調(diào)節(jié)，并根據(jù)用水量控制工作泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

2.3 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理

在恒壓供水系統(tǒng)中，應(yīng)用變頻器調(diào)速可取代恒速電機(jī)，從而有效降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論，水泵工作效率的計(jì)算公式為：

ηp=C1（Q/n）-C2（Q/n）2. （2）

式（2）中：C1，C2為常數(shù)；Q為供水量；n為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

從式（2）中可以看出，當(dāng)通過(guò)閥門控制水量時(shí)，在保持轉(zhuǎn)速不變的情況，如果供水量下降，那么工作效率也隨之下降；當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)速控制供水量時(shí)，供水量與異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，供水量與轉(zhuǎn)速的比值是個(gè)定值，因此，供水效率能夠保持最佳狀態(tài)。

3 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)PLC變頻調(diào)速恒壓供水原理，系統(tǒng)的電氣控制如圖1所示。該系統(tǒng)主要由水泵機(jī)組、變頻器、PLC及其擴(kuò)張模塊、壓力流量傳感器、人機(jī)界面等組成。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件控制程序如圖2所示。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID調(diào)節(jié)器、電機(jī)、壓力變送器和水泵構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)供水能力的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保證供水過(guò)程中的水壓處于恒定狀態(tài)。具體的實(shí)現(xiàn)方法為：①了解不同用戶對(duì)用水的需求，并為PID調(diào)節(jié)器確定合理的壓力值；②對(duì)管道中的水壓進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并將實(shí)際測(cè)量結(jié)果通過(guò)壓力變送器傳輸給PID調(diào)節(jié)器；

③PID調(diào)節(jié)器能夠進(jìn)行比較運(yùn)算，比較目標(biāo)值與實(shí)際值的偏差，并確定調(diào)節(jié)量；④自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器收到調(diào)節(jié)指令后，輸出頻率，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變供水量，使供水量與用水量相互平衡，實(shí)現(xiàn)供求關(guān)系的動(dòng)態(tài)平衡。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平逐漸提高。在此情況下，傳統(tǒng)的供水方式已不能滿足用戶日益增長(zhǎng)的用水需求。而PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的使用，能夠有效解決現(xiàn)階段的供水問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在供水管網(wǎng)中的應(yīng)用具有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值，且安全性和可靠性較高，能滿足現(xiàn)階段的用水需求。

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〔編輯：劉曉芳〕