徐 斯

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410151）

對于日常生活的用水量來說，由于它一般會隨著季節(jié)、晝夜等情況的變化而變化，所以往往會發(fā)生供水用水失衡的情況。水壓充分體現(xiàn)了這一失衡現(xiàn)象，用水量多但供水量少，導(dǎo)致水壓降低；而用水量少但供水量多，就會導(dǎo)致水壓升高。這樣一來不僅浪費了大量的能源，同時也減少了經(jīng)濟(jì)效益。不僅如此，在安全意識日益提升的情況下，使得國家在規(guī)劃設(shè)計各類建筑物時，必須要考慮將消防控制功能加入到供水系統(tǒng)當(dāng)中，而且由于消防用水水壓不同于生活用水水壓，因此當(dāng)發(fā)生火情需要滅火時，必須要增大水壓。所以，對于恒壓供水自動控制系統(tǒng)來說，其不僅具有很好的控制性能，同時它的實用價值也非常高。

1 恒壓供水的現(xiàn)實意義及發(fā)展

最近幾年，我國中小城市的發(fā)展速度越來越快，使得集中用水量不斷上升。從相關(guān)統(tǒng)計可以看出，在1990年，我國的城市家庭人均日生活用水量為175.7L，而到了1998年則上升到了241.1L，比1990年的用水量增多了37.2%。由于當(dāng)用水量處于高峰時，供水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，進(jìn)而導(dǎo)致城市公用管網(wǎng)的水壓常常會出現(xiàn)較大的浮動。同時由于每天不同時段需要不同的供水壓力，假如只是憑借工作人員的經(jīng)驗來手動調(diào)節(jié)水壓，一般很難準(zhǔn)確的實現(xiàn)目標(biāo)。基于這種情況，當(dāng)用水量增多時，水壓下降；而當(dāng)用水量減少時，水壓反而上升，這樣一來既使得能源發(fā)生了浪費，又可能會發(fā)生許多安全事故，比如，由于壓力過高，導(dǎo)致管道爆裂。對于供水廠而言，他們期望能夠借助改造原有的系統(tǒng)，來使其自身的自動化水平提升。同時基于此對相關(guān)的系統(tǒng)管理軟件進(jìn)行配置，突破傳統(tǒng)的管理模式，規(guī)范管理工作，進(jìn)而使本廠的業(yè)務(wù)管理能力得到不斷提升。由于水廠以往在控制供水系統(tǒng)時，僅僅依靠人工來實現(xiàn)，因此需要基于原有系統(tǒng)來改造該系統(tǒng)技術(shù)，并為其建立一套完善的自動控制取水與供水的系統(tǒng)，進(jìn)而使以往控制期間存在的問題得到解決，減少能源的損耗，避免浪費資源，使設(shè)備的可維護(hù)性以及運行的安全性得到提升，進(jìn)而切實的使水廠在生產(chǎn)自來水中所花費的成本降低，并有效的提升生產(chǎn)管理水平。

對于規(guī)模較大的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)而言，其變頻調(diào)速恒壓供水具有以下幾個特點：a.供水量在一天內(nèi)的變化幅度比較大，往往是幾倍甚至幾十倍的變化；b.為供水壓力制定的要求較為苛刻，供水流量發(fā)生改變，一般會使得供水壓力產(chǎn)生變化，即使是很少量的水，也需要相應(yīng)的管道壓力；c.通常而言，供水系統(tǒng)水流量的多少一般由水消耗量來決定，而水流量則是由供水水泵所提供。

綜上述結(jié)論可知，通過恒壓供水系統(tǒng)（主體為變頻器），既可以最大限度的使實際需要得到滿足，又能夠使整個系統(tǒng)的效率得到提升，同時還可以實現(xiàn)系統(tǒng)壽命的延長以及能源的節(jié)約。

相比于傳統(tǒng)的水塔/高位水箱的氣壓供水方式，新型供水方式不僅擁有完善的設(shè)備、良好的經(jīng)濟(jì)性，同時其系統(tǒng)也更加的穩(wěn)定可靠且自動化程度更高，并且它的節(jié)能效果更加的明顯。由于該系統(tǒng)的這些優(yōu)勢，使得國內(nèi)供水設(shè)備廠家對它的關(guān)注度與研發(fā)力度越來越高。

現(xiàn)階段，該系統(tǒng)的可靠性與自動化水平越來越高、品種越來越豐富。對于未來的供水系統(tǒng)而言，為了使城鎮(zhèn)實現(xiàn)成片開發(fā)建設(shè)以及智能化樓宇，并通過網(wǎng)絡(luò)來調(diào)度與規(guī)劃供水，必定會越來越智能、越來越標(biāo)準(zhǔn)化。

2 恒壓供水系統(tǒng)的組成

圖1所顯示的便是雙恒壓無塔供水系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)。在該系統(tǒng)中，涵蓋PLC、變頻器、水泵機(jī)組等諸多器件。借助控制面板上的指示燈、按鈕以及轉(zhuǎn)換開關(guān)，用戶能夠很好的了解系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

借助總出水管網(wǎng)上的壓力變送器，將出口壓力的信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，并將其送到變頻器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器當(dāng)中，通過PID進(jìn)行運算之后，對比給定壓力參數(shù)，繼而獲得4～20mA參數(shù)，并將其送到變頻器當(dāng)中。在整個控制系統(tǒng)中，供水量由水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，而水泵的轉(zhuǎn)速則由變頻器來控制。由于用水量不一致，因此變頻器的工作頻率、水泵的轉(zhuǎn)速也會出現(xiàn)一定的差異。利用變頻器檢測時，可以分別設(shè)置一個上限與下限頻率，假如用水量增大，那么變頻器會立刻升至上限頻率，在這個時候，變頻器會給PLC輸出一個開關(guān)信號；假如用水量減少，那么變頻器會降至下限頻率，在這個時候，變頻器同樣會給PLC輸出一個開關(guān)信號；需要注意的是，兩個信號的產(chǎn)生時間并非一致。一旦其中一個信號產(chǎn)生，PLC會立刻接收到反饋信號，接著利用其內(nèi)部程序?qū)/O端口開關(guān)量的輸出進(jìn)行驅(qū)動，使交流接觸器組得到切換，同時對投入的水泵電機(jī)數(shù)量進(jìn)行協(xié)調(diào)，并實現(xiàn)開關(guān)電機(jī)與切換變、工頻。通過對投入電機(jī)數(shù)量的調(diào)整以及對電機(jī)組當(dāng)中某一臺電機(jī)變頻轉(zhuǎn)速的控制，使系統(tǒng)管網(wǎng)長期保持在穩(wěn)定的運行狀態(tài)，從而切實的實現(xiàn)恒壓供水。借助人機(jī)界面，可以使將系統(tǒng)參數(shù)在線顯示出來，便于操作人員的設(shè)置與修改，進(jìn)而達(dá)到實時監(jiān)控的目的。

3 恒壓供水軟件設(shè)計

硬件是自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件則是自動控制系統(tǒng)的核心所在。作為計算機(jī)系統(tǒng)的主體，軟件可以對系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性、實用性與實時性起到?jīng)Q定性的作用。

（1）恒壓供水軟件的選取。在編寫系統(tǒng)程序時，必須要使用專門的應(yīng)用軟件，本文中主要運用了STEP7-MICRO/WIN32編程軟件。對于該編程軟件而言，其基本功能包括協(xié)助用戶研發(fā)PLC應(yīng)用程序、對PLC參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等。同時當(dāng)該軟件處于離線環(huán)境中時，依舊能夠輸入、編輯以及編譯程序。不僅如此，通過聯(lián)機(jī)工作的方式，即將PLC同編程PC連接起來，該編程軟件還能夠下載數(shù)據(jù)、測試通訊信號等。

（2）恒壓供水程序設(shè)計。對于本系統(tǒng)而言，其運行的關(guān)鍵在于PLC程序是否合理可行。在該系統(tǒng)程序中，主要涵蓋兩部分程序：一部分是主程序；另一部分是啟動子程序。在主程序中，同樣包括兩部分程序：①參與調(diào)節(jié)程序；②電機(jī)切換程序（電機(jī)程序與減電機(jī)程序）。對于啟動程序而言，它其實屬于清零程序，當(dāng)PLC通電時，需要進(jìn)行初始化操作，使數(shù)據(jù)清零。由于在此系統(tǒng)中運用了變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，因而此處不必再使用PLC的模擬量模塊與PID功能指令，只需要用通信電纜將PLC同變頻器連接起來就可以進(jìn)行通信。同時在主程序中運行邏輯運算、變頻器復(fù)位等功能，而在子程序中則運行系統(tǒng)初始化的相關(guān)操作，如此一來能夠使得掃描時間大大縮減。將生活供水與消防供水的數(shù)值分別設(shè)定為70%與90%。

4 結(jié)語

通過對比現(xiàn)代與傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)與控制方式，可以發(fā)現(xiàn)綜合系統(tǒng)當(dāng)中所運用的PLC、變頻器、工作機(jī)制與系統(tǒng)構(gòu)成具有以下幾大特點：

（1）雙恒壓無塔供水系統(tǒng)在控制變頻調(diào)速時，主要利用的是PLC?；趯嶋H的用水量，利用PLC對投入電機(jī)的數(shù)量進(jìn)行控制，而水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速則借助變頻器來控制；利用傳感器來實現(xiàn)信號的實時采集，同時借助屏蔽電纜，將這些實時信號送到變頻器當(dāng)中，并利用PID調(diào)節(jié)器來運算處理，接著通過調(diào)節(jié)變頻器將這些信號輸出去或者將信號發(fā)給PLC；通過編寫程序?qū)刂七M(jìn)行優(yōu)化，同時使泵組的運行臺數(shù)實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，當(dāng)管網(wǎng)流量發(fā)生改變時，供水壓力能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時使電能得到了節(jié)約。

（2）作為二次方律性質(zhì)的負(fù)載，水泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方、功率與轉(zhuǎn)速的立方均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，所以如果想要改變水泵的功率，那么只需要改變其轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)。借助變頻器，對電源的頻率進(jìn)行改變，接著改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后使水泵性能曲線產(chǎn)生改變，進(jìn)行實現(xiàn)水泵工況的調(diào)節(jié)。因此，通過變頻調(diào)速能夠使供水實現(xiàn)恒壓，假如轉(zhuǎn)速下降，那么流量與轉(zhuǎn)速就會呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，此時在用閘時引入恒速泵供水方式，可以使能量損耗得到一定的減少，降低沖擊的力度，使系統(tǒng)的使用壽命延長，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。不過，必須要在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的工況，即適度降低變頻器的頻率，防止水泵的運行效率過低。

（3）相比于傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，現(xiàn)代變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很多優(yōu)勢與新功能，同時它對能源的控制更加有效。對于傳統(tǒng)控制當(dāng)中存在的問題，筆者總結(jié)出了相應(yīng)的解決方案，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計與改造具備了相應(yīng)的理論依據(jù)。