恒压供水系统在教学实训中的应用

张松宇

摘 要：近年来，伴随电子技术的进步，变频器的使用愈加广泛价格越来越低。很多小型机电系统，开始采用变频调速。同时，随着国家对节能环保的重视，很多厂家使用变频器对许多老旧系统进行节能改造，使得变频调速有了更广阔的空间。针对这种变化，为顺应社会发展及技术进步，在我校相关专业的教学实训中，加入恒压供水系统，通过对该系统的设计、安装及调试，让学生更深刻地理解变频器的使用方法，以及PLC电气控制系统的原理及架构，为日后学生在相关领域工作，积累技能与经验。

关键词：恒压供水;PLC;变频器;触摸屏

【中图分类号】G 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1216（2016）01C-0083-02

供水系统是国民生产和生活中不可或缺的基础设施。传统的供水系统中，水泵以工频运行，由于终端用水量不稳定，从而造成管道压力波动较大，对设备损害大，浪费能源。

变频调速当下已是一种成熟的无级调速方式，由于其优良的控制性能被广泛应用于各种调速场合。其中，恒压供水是变频调速应用的一个典型，它有着供水压力恒定、节约电能、控制可靠等优点。

鉴于此，通过设计和调试一套恒压供水系统，让学生了解变频器的原理和调试方法，通过PLC控制，让学生掌握PLC电气控制系统的架构，以及通过HMI（人机界面）来控制变频器的方法。通过该实训项目，可以实现以下知识与技能目标：深刻理解理论知识，掌握相关编程指令含义及使用方法;独立完成一个小型机电控制系统的设计、安装与调试，提高学生动手能力和解决实际问题的能力。

一、恒压供水系统介绍

恒压供水系统，顾名思义就是要保证供水压力恒定。以自来水管网为例，一般在白天，尤其是做饭时间，用水量较大，管道压力降低，在夜间用水量较小，管道压力上升。如果水泵采用工频运行，那么在用水量大的时候，不能满足整个管网的用量，而在夜间用水量小的时候，则会造成管道压力加大，降低设备使用寿命，且浪费电能。

采用恒压供水系统，系统会自动根据管道压力传感器的压力控制水泵转速。用水量大，管道压力降低，水泵高速运行;用水量小，管道压力基本保持不变，水泵以很低的转速运行，保持管道压力即可。水泵功率与转速的3次方成正比，转速下降后，水泵输出功率则以3次方降低。由此可知，水泵低速运行时，恒压供水节能效果。

二、变频器简介

恒压供水系统，要想改变改变供水压力，必须改变水泵的转速。根据电机转速公式N=60F/P，要想改变电机转速，有两个途径：改变频率F和改变电机极对数P。电机要想改变极对数，实现起来比较麻烦，而且不能实现无级变速。通过改变频率F调速，就是变频调速。变频调速随着电力电子技术和微电子技术的发展，向着集成化、数字化和模块化方向发展，从而使变频调速装置的可靠性、经济性以及系统的性能指标都在不断提高。

变频器是一种可以改变电网频率的电气设备。现在变频器主要有两种变频方式：交直交和交交变频方式，受制于内部结构及原理，交交变频适合于低频、大功率场合。而交直交变频器有着更宽的频率调节范围，被广泛地应用于各种传动装置。在恒压供水系统中，选用交直交变频器。

交直交变频器第一个环节是整流，一般为三相桥式整流电路，根据变频器的性能，整流电路分为不可控型、半控型和全控型。性能以全控型整流电路最佳，可以将制动产生的电能回馈到电网，而且变频器产生的谐波危害更小。这也是日后发展的趋势。第二个环节是直流滤波，滤波环节有电流型和电压型的区别。电流型是以电抗器滤波，电压型是以电容滤波。第三个环节是逆变环节。一般是以全控型电力电子器件IGBT来实现。

电动机因频率变化导致磁饱和造成励磁电流增大，引起功率因素和效率的降低，所以，需对变频器频率和电压的比例进行控制，使该比例保持恒定，即V/F控制。这也是变频器应具备的基本功能，现在随着微电子技术和电力电子技术的进步，变频器控制性能不断提高，完善的保护措施，使其成为可靠的电气设备。

三、恒压供水系统架构

根据以上介绍，恒压供水系统采用PLC进行控制，使用触摸屏进行参数设定，出于实训安全考虑，变频器采用单相交流220V进线。

设计要求：通过触摸屏可以设定及更改供水压力，能够通过按钮启停系统，管道压力发生变化后，系统可以自动调节变频器转速，使系统压力维持在设定值附近。

（一）系统配置

触摸屏：西门子SMART LINE，具备串口，以太网通信。

中央处理器：西门子S7-200SMART ST40，具备串口、以太网通信。

变频器：西门子M420，可以进行面板操作、端子控制，通信可选。

恒压供水系统电气原理图

（二）实例说明

该恒压供水系统，采用S7-200 SMART ST40型PLC作为控制器，S7-200 SMART是西门子公司一款高性价比小型PLC，CPU上集成了最多可达60点的I/O通道，可进行通信端口、数字量、模拟量通道的扩展，更重要的是CPU标配以太网口，支持TCP/IP协议，一根普通的网线就可以将CPU与编程电脑相连，方便快捷。

CPU通过串口与触摸屏进行通信。触摸屏上可以设定及更改供水系统压力，由于实训室没有条件安装压力传感器，并提供一个波动的压力值，我们在触摸屏上设置了一个通道，可以输入压力值，通过改变这个值，模拟管道压力变化。观察压力改变后，系统是否可以按照设计要求，使系统压力维持在设定值附近运行。

恒压供水系统启动和停止，使用PLC外接的按钮进行控制，电气图上设置了一个反转的按钮，是用来让学生了解变频器的，对于恒压供水系统无意义。变频器的调频信号，通过S7-200 SMART的模拟量扩展模块EM AM06中的模拟量输出通道给变频器提供4-20mA信号。

硬件线路接线具体见图，要实现恒压供水，还需要用到一个重要的控制算法——PID。PID是控制理论中经典的控制算法，各种版本的《控制理论》中都有详细的描述，在这里不再赘述。通过PID的调节功能，在给定了压力值以后，PID会根据反馈（触摸屏上模拟压力的设定值），进行自动调整，输出调频信号，控制变频器转速，最终达到控制压力的目的。

S7-200 SMART的编程软件是STEP7-Micro/WIN SMART，在编程软件中有PID整定面板，同时，SMART CPU也支持PID自整定功能，这两项功能相结合，使得这一功能的使用变得更加简便。另一种办法就是根据自控理论列出传递函数，自己去整定比例、微分的参数，最终实现调节功能。

四、结束语

恒压供水系统是一个典型的机电控制系统，通过该实训项目，让学生对书中的理论知识有系统的认识;其次，通过对系统的设计与调试，让学生了解一个实实在在的工程从设计到调试各个环节要注意的事项，提高综合素质，为日后从事相关工作，打下好的基础。

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