郭志冬

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院， 河南 三門峽 472000）

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，高樓大廈如雨后春筍般林立在城鎮(zhèn)的土地上。隨之而來的問題便是高層用戶的用水問題該如何有效的解決。傳統(tǒng)的供水方式諸如水塔高位水箱供水，氣壓罐供水，水泵工頻恒速加壓供水等供水方式。有著供水效率低，自動化程度低，水電資源利用率低，系統(tǒng)可靠性差，高峰時出現(xiàn)部分用戶無法用水的情況。為了保證高層用戶的用水問題，開發(fā)高性能、高穩(wěn)定性高效率節(jié)能的恒壓供水系統(tǒng)具有十分重要的意義[1]。

由于高層建筑數(shù)量巨大，配套的恒壓供水系統(tǒng)就需要大量的人力資源投入到該系統(tǒng)的建設(shè)中去，因此一方面要設(shè)計建設(shè)大量高效節(jié)能高性能的恒壓供水系統(tǒng)，另一方面需要培養(yǎng)大量的熟悉恒壓供水系統(tǒng)的人才。為此，本文設(shè)計了一套恒壓供水實訓(xùn)系統(tǒng)，既可以滿足高層建筑的高質(zhì)量的供水需求，又可以培養(yǎng)熟練掌握恒壓供水系統(tǒng)的人才[2]。

一、恒壓供水系統(tǒng)方案設(shè)計

解決恒壓供水系統(tǒng)一個比較好的方案是利用變頻調(diào)速技術(shù)，根據(jù)用水量的實際需求實時調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速和數(shù)量，來實現(xiàn)恒壓供水[3]。PLC是實現(xiàn)工業(yè)自動化的最常用的控制裝置，技術(shù)成熟，使用方便，集合了計算機技術(shù)，通信技術(shù)，自動控制算法等技術(shù)。觸摸屏組態(tài)控制簡單，功能強大，使用方便，性能穩(wěn)定非常適用于各種自動化控制環(huán)境。本系統(tǒng)中應(yīng)用PLC和變頻器等裝置設(shè)計了恒壓供水系統(tǒng)，并結(jié)合觸摸屏組態(tài)技術(shù)，實現(xiàn)觸摸屏實時監(jiān)控供水壓力和PID控制參數(shù)，具有數(shù)據(jù)實時采集，故障報警，壓力自動調(diào)節(jié)，控制過程實現(xiàn)自動化等功能[4]。通過本方案實現(xiàn)了以具體項目為載體，工學(xué)結(jié)合，強化實踐動手能力，解決了教學(xué)方法落后、設(shè)備缺少、動手操作少的問題。

恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1的設(shè)計方案中，來自市網(wǎng)的自來水注入蓄水池，可由電動進(jìn)水閥自動控制注水。蓄水池中有高、低位液位限位傳感器，通過PLC控制進(jìn)水閥可實現(xiàn)蓄水池的水位保持在可用范圍內(nèi)。圖右側(cè)為恒壓供水系統(tǒng)測，由三臺水泵控制，根據(jù)管網(wǎng)中壓力傳感器檢測的壓力值的大小，依次啟動三臺水泵，并通過三臺變頻器驅(qū)動三臺水泵改變電機的轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)恒壓供水[5]。圖中的4個手動隔離閥主要用于設(shè)備檢修和緊急情況的處理。

系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)根據(jù)觸摸屏設(shè)定的管道壓力與壓力變送器傳送來的管道壓力值進(jìn)行比較，通過PLC中的PID算法程序，計算其輸出值，去驅(qū)動變頻器進(jìn)行變頻控制，使得水泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制管道中的壓力值保持恒定。系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量的大小實時調(diào)節(jié)變頻器的頻率即水泵的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量，直到管道的壓力值和設(shè)定值相等[6]。

二、恒壓供水電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

該恒壓供水系統(tǒng)由PLC、觸摸屏組態(tài)、變頻器和水泵等硬件組成。電氣控制系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)圖

圖2的電氣控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、變頻器、水泵以及液位傳感器和管道壓力傳感器組成。系統(tǒng)中的PLC選擇西門子公司的CPU224XP，它有14個數(shù)字量的輸入點，10個數(shù)字量的輸出點，2路模擬量輸入1路模擬量輸出，擴展模塊選用EM222，主要用于輸出量的擴展，彌補主機模塊輸出量的不足。變頻器采用西門子較為新型的V20變頻器，功率7.5KW，該變頻器安裝簡單、通信功能強大、異常不停機、操作簡單方便等優(yōu)點。觸摸屏采用西門子Samart700IE，該觸摸屏性價比高、操作簡單、系統(tǒng)界面搭建容易方便、通信功能強大，易于和西門子PLC易于組態(tài)，系統(tǒng)集成便利等優(yōu)點。

系統(tǒng)中高位和低位傳感器限位傳感器連接到PLC的輸入端，管道壓力傳感器經(jīng)過變送器后，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號，輸入到模擬量輸入信號AIW0。輸出量分配中，一個進(jìn)水閥和三個出水閥占到4個輸出量，3個泵各有一個工頻和變頻信號，共占到6個輸出量，報警和異常指示站到兩個輸出量[7]。

三、PLC程序結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的程序設(shè)計結(jié)構(gòu)包含自動程序和手動程序。參數(shù)設(shè)置時，需要手動設(shè)定管道壓力值，PID的參數(shù)表，變頻器的初始頻率等[8]。水池水位控制比較簡單，水池低水位傳感器接通時，進(jìn)水閥打開，當(dāng)水池高水位傳感器接通時，進(jìn)水閥關(guān)閉，具體流程這里不在贅述。自動程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)自動控制流程圖

自動控制流程圖中，系統(tǒng)根據(jù)管道壓力值的大小和設(shè)定壓力的大小進(jìn)行比較，來決定水泵的頻率和水泵的數(shù)量。先開啟1#泵變頻運行，調(diào)節(jié)管道壓力并和設(shè)定值進(jìn)行比較。如果小于設(shè)定值，則1#泵頻率上升，管道壓力增加，當(dāng)1#泵頻率上升至工頻50Hz時，管道壓力仍小于設(shè)定值，此時，1#泵為工頻運行，2#泵進(jìn)行變頻運行，壓力進(jìn)一步增加，若壓力繼續(xù)小于設(shè)定值，則2#泵繼續(xù)變頻上升，若壓力仍然沒有達(dá)到設(shè)定值，則1#2#泵工頻運行。3#泵繼續(xù)變頻上升，繼續(xù)和設(shè)定壓力進(jìn)行比較，直到1、2、3#泵均達(dá)到工頻運行。減泵過程和上述過程相反，參照圖 3 的（b）圖部分[9]。

四、觸摸屏組態(tài)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計了自動控制畫面和手動控制畫面兩個主要界面。觸摸屏啟動后可以通過按鈕在自動控制畫面和手動控制畫面自由切換?？梢栽诮缑嬷性O(shè)計管道壓力，PID參數(shù)表，實時監(jiān)測管道當(dāng)前壓力值[10]。具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4 觸摸屏組態(tài)畫面

五、總結(jié)

采用PLC、觸摸屏和變頻器實現(xiàn)了高層建筑的恒壓供水系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的水泵控制而言，該系統(tǒng)具有控制效果明顯，節(jié)能效果好，報警和保護(hù)功能完善，操作方便等優(yōu)點。該系統(tǒng)具有一定的通用型，可以滿足大部分的小區(qū)、住宅、辦公樓寫字樓等高層建筑的恒壓供水要求，并且性能良好。同時，本系統(tǒng)為高職院校的機電類學(xué)生提供了一個良好的實驗實訓(xùn)平臺，并且可以培養(yǎng)熟練掌握恒壓供水系統(tǒng)的人才。很好的服務(wù)于高等職業(yè)院校的電氣自動化和機電一體化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生教學(xué)。