丁伶

渤海大學

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基于PLC恒壓變頻供水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

丁伶

渤海大學

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，人們的對供水系統(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)點是控制起來較便捷，節(jié)能效果佳?，F(xiàn)在大多數(shù)的城市中，供水都是通過采用PLC的變頻技術(shù)來控制，供水量的多少是按照實際的需求來提供的，通過改變水泵的旋轉(zhuǎn)速度從而控制出水量。PLC的恒壓變頻實現(xiàn)了供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面有所提高，同時也在節(jié)約水資源方面也做出了貢獻，本文主要圍繞著PLC的恒壓變頻的供水系統(tǒng)進行展開。

PLC 變頻 恒壓 供水系統(tǒng)

節(jié)約環(huán)保，這已經(jīng)是現(xiàn)代社會保衛(wèi)地球，保衛(wèi)我們的家園的一個重要的標語，在人們生活中，我們不僅僅要考慮用水的時候水資源的衛(wèi)生性，可靠性，供給性更要以不能浪費水資源為主題，水是生命之源，解決水資源就是挽救我們的后代，所以如何改進供水系統(tǒng)，使其在節(jié)能方面有所突破這在當今社會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，比如自動性能不佳，可靠性低，效率低等等。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在這個快速節(jié)奏的社會了，需要引入改進版的供水系統(tǒng)，于是采用變頻調(diào)速方式進行恒壓供水已經(jīng)是一種社會趨勢，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)點與缺點

1.1恒速泵加壓供水

恒速泵加壓供水系統(tǒng)中自動性能方面存在著很大的缺點，該供水系統(tǒng)需有投入人力的操作，同時該供水系統(tǒng)不能根據(jù)用戶的用水需求量進行改變。由于恒速泵的加壓供水系統(tǒng)在自動化方面的性能差，所以常常會遇到兩種極端，分別是機組處于滿負荷狀態(tài)和機組處于超負荷的狀態(tài)，從而導致了供水的效率低已經(jīng)電能的大量浪費的現(xiàn)象。當實際的用水量處于少量的情況下，這時如果給水泵加壓上水的話，水泵就會承受著可能爆炸的可能性，這對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，其應用性廣泛的原因是因為氣壓罐供水方便簡潔，易操作，同時在用水高度方面沒有制約，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弊端就是指電氣設備方面的要求比較高，同時調(diào)節(jié)量很低，不能迎合大部分對用水量的需求，另一方面當水泵在低效段工作時，這是因為停泵的緣故，所以泵內(nèi)的壓力會增加，從而輸出的水壓也會增加，這種后果是不利于水資源和電能的節(jié)約的，達不到節(jié)約環(huán)保的目的。

1.3高位水塔供水系統(tǒng)

相比于以上幾個傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，高位水塔供水系統(tǒng)在設計方面以及操作方面比較簡單，同時操作時的成本也相對來說比較低，即使是該系統(tǒng)維修后也不會對用戶的用水情況造成任何的影響。然而在投入到實際中的應用中去時，需要把底座建設高些，這樣有利于加大供水的壓力，所以這樣一來就會增加成本的預算，除此之外由于底座的面積因素導致難以投入到應用中去。

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報警的作用，當供水系統(tǒng)中的某一個功能出現(xiàn)故障的時候，該指示燈就會進行相應的顯示匹配，因為指示燈是放在主控制面板上的，所以故障發(fā)生的同時指示燈就會給出對應的判斷，從而為維修人員節(jié)省了很多的時間。

2.2水位控制功能

水位控制功能是通過系統(tǒng)中設定的水位檢測器來實現(xiàn)的，水位檢測器會傳回實時的水位信息，從而系統(tǒng)可以根據(jù)水位的情況對閥門的控制進行很好的把握。當水位比系統(tǒng)默認的值低時，系統(tǒng)的入水閥門就會打開；同樣當水位比默認設置的值高時，入水的閥門就會關(guān)閉。

2.3超壓保護功能

供水系統(tǒng)的輸水管網(wǎng)上設置了壓力傳感器，輸水管網(wǎng)上的壓力是傳送給中央控制器接收的，當該壓力超過了系統(tǒng)設置的默認值時PLC通過自動控制變頻器對水泵的轉(zhuǎn)速進行更改，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控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法指的是當水泵的發(fā)電機轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，根據(jù)閥門打開的程度來控制流量。轉(zhuǎn)速控制法指的是當閥門的打開程度不變的時候，通過水泵發(fā)電機的轉(zhuǎn)速來控制流量。由水泵的變速運行2定律，3

可以得出以下公式：

其中Q表示流量，H表示揚程，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)通過自動設置泵組的臺數(shù)，從而實現(xiàn)對供水壓力的閉環(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的電壓信號的產(chǎn)生是用戶增加了用水量后，管網(wǎng)里的壓力減小后形成的。接著PLC內(nèi)置的PID控制器就會對變頻器的頻率進行計算，當頻率增加的時候，水泵的轉(zhuǎn)速也相應地增加，最后形成一個穩(wěn)定的局面；如果用戶減少用水量的時候，如上所描述的一樣，也可以形成一個穩(wěn)定的局面。

4　系統(tǒng)的軟件設計

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主要包括了生成泵切換信號，泵組接觸器邏輯信號以及設備的供水情況和設備的故障情況，以及故障出現(xiàn)后如何進行故障提示的。當電機過載設備的時候，熱繼電器就會把過載的信號發(fā)送給PLC，PLC收到后就會觸發(fā)報警的設備，接著就會采取“過載處理”的措施。該系統(tǒng)中的軟件之間彼此形成了“互鎖”的狀態(tài)，同時硬件也實現(xiàn)了“互鎖”。系統(tǒng)中工作的時候很可能出現(xiàn)點擊空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，所以為了杜絕這種情況的出現(xiàn)，在設計方面引入了液位信號。該信號可以處理出現(xiàn)電機空轉(zhuǎn)的情況。當水位比較低的時候，PLC就會收到數(shù)字的開關(guān)信號，然后進行相應的處理，這樣可以有效地避免電機的損壞。晚上的時候，由于用水量的需求會降低，當水壓達到了一個系統(tǒng)的默認值時，輔泵就會停止工作，等到該默認值是比管網(wǎng)的壓力值高的時候，輔泵才會恢復工作。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)的硬件設計

5.1硬件的選擇

根據(jù)用戶的日常用水規(guī)律可以分為三個時間段，早上，中午，晚上，當用水流量需求低的時候，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。供水壓力的默認值的設置主要是根據(jù)組合工頻泵和變頻泵。恒變頻在節(jié)能方面遠遠優(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型號的水泵是考慮到其壽命周期長，可靠性強，低噪音等優(yōu)點。電流與驅(qū)動電機的額定功率之間的關(guān)系如下所示：

其中上式中的PCM指負載水泵輸出功率，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)。同時滿足以上三個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主要應用中工業(yè)領(lǐng)域，計算機領(lǐng)域以及通信領(lǐng)域等等。PLC在整個恒壓變頻的供水系統(tǒng)中承擔著重要的角色，PLC將采集到的數(shù)據(jù)進行交換，然后將計算的結(jié)果發(fā)送到執(zhí)行機構(gòu)。

6　PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)的運行方式

6.1手動控制

手動控制的使用場合是檢查設備的時候，也可以是在PLC出現(xiàn)故障的時候通過手動控制的方式進行故障的緊急處理，除此之外還可以把其系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)改成工頻，這樣三臺水泵同時工作的話可以盡可能滿足用戶的對用水量的最大化需求。6.2 自動控制

自動控制是PLC恒壓變頻系統(tǒng)中的一個最重要的控制方式，自動控制在PLC系統(tǒng)中占有重要的角色。當預先設置好系統(tǒng)中相關(guān)的數(shù)據(jù)，啟動閥門和水泵，可以隨意地在水泵的工頻和水泵的變頻之間進行切換。工頻與變頻之間的變化的實現(xiàn)是通過將系統(tǒng)提前設置的值對比于從傳感器中發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，完美地展示了PLC變頻恒壓的自動化技術(shù)。

7　結(jié)語

本論文設計的基于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，該系統(tǒng)的供水體現(xiàn)了穩(wěn)定性強，抗干擾能力強和可靠性高優(yōu)點。該系統(tǒng)在自動化方面充分體現(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，故障處理能力強，而且水泵的使用壽命周期長。

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