基于PLC恒压变频供水系统的设计与实现

2016-10-19丁伶

数码世界 2016年9期

关键词：恒压用水量变频

丁伶

渤海大学

基于PLC恒压变频供水系统的设计与实现

丁伶

渤海大学

随着我国社会经济的发展，生活水平的提高，人们的对供水系统的要求也逐渐提高，目前比较受欢迎的供水系统是变频供水系统，变频技术的优点是控制起来较便捷，节能效果佳。现在大多数的城市中，供水都是通过采用PLC的变频技术来控制，供水量的多少是按照实际的需求来提供的，通过改变水泵的旋转速度从而控制出水量。PLC的恒压变频实现了供水系统在稳定性方面有所提高，同时也在节约水资源方面也做出了贡献，本文主要围绕着PLC的恒压变频的供水系统进行展开。

PLC 变频恒压供水系统

节约环保，这已经是现代社会保卫地球，保卫我们的家园的一个重要的标语，在人们生活中，我们不仅仅要考虑用水的时候水资源的卫生性，可靠性，供给性更要以不能浪费水资源为主题，水是生命之源，解决水资源就是挽救我们的后代，所以如何改进供水系统，使其在节能方面有所突破这在当今社会是有着重要的研究意义的。传统的供水系统中，供水方式主要有气压罐供水，高位的水箱供水，以及恒速泵供水，这些供水方式存在着一些缺点，比如自动性能不佳，可靠性低，效率低等等。传统的供水系统已经不能满足现在这个快速节奏的社会了，需要引入改进版的供水系统，于是采用变频调速方式进行恒压供水已经是一种社会趋势，变频恒压的供水方式在性能方面有所提高，而且在节能的效果方面也有所突破。

1　供水系统的优点与缺点

1.1恒速泵加压供水

恒速泵加压供水系统中自动性能方面存在着很大的缺点，该供水系统需有投入人力的操作，同时该供水系统不能根据用户的用水需求量进行改变。由于恒速泵的加压供水系统在自动化方面的性能差，所以常常会遇到两种极端，分别是机组处于满负荷状态和机组处于超负荷的状态，从而导致了供水的效率低已经电能的大量浪费的现象。当实际的用水量处于少量的情况下，这时如果给水泵加压上水的话，水泵就会承受着可能爆炸的可能性，这对水泵的使用寿命是一种挑战。

1.2气压罐供水

传统的供水系统中经常用到气压罐供水，其应用性广泛的原因是因为气压罐供水方便简洁，易操作，同时在用水高度方面没有制约，这种传统的气压罐的供水方式在城市中是很受欢迎，然而气压罐供水存在的一个弊端就是指电气设备方面的要求比较高，同时调节量很低，不能迎合大部分对用水量的需求，另一方面当水泵在低效段工作时，这是因为停泵的缘故，所以泵内的压力会增加，从而输出的水压也会增加，这种后果是不利于水资源和电能的节约的，达不到节约环保的目的。

1.3高位水塔供水系统

相比于以上几个传统的供水系统，高位水塔供水系统在设计方面以及操作方面比较简单，同时操作时的成本也相对来说比较低，即使是该系统维修后也不会对用户的用水情况造成任何的影响。然而在投入到实际中的应用中去时，需要把底座建设高些，这样有利于加大供水的压力，所以这样一来就会增加成本的预算，除此之外由于底座的面积因素导致难以投入到应用中去。

2　PLC恒压变频供水系统的功能

2.1警示的功能

该功能主要起到一个报警的作用，当供水系统中的某一个功能出现故障的时候，该指示灯就会进行相应的显示匹配，因为指示灯是放在主控制面板上的，所以故障发生的同时指示灯就会给出对应的判断，从而为维修人员节省了很多的时间。

2.2水位控制功能

水位控制功能是通过系统中设定的水位检测器来实现的，水位检测器会传回实时的水位信息，从而系统可以根据水位的情况对阀门的控制进行很好的把握。当水位比系统默认的值低时，系统的入水阀门就会打开；同样当水位比默认设置的值高时，入水的阀门就会关闭。

2.3超压保护功能

供水系统的输水管网上设置了压力传感器，输水管网上的压力是传送给中央控制器接收的，当该压力超过了系统设置的默认值时PLC通过自动控制变频器对水泵的转速进行更改，直到降到合适的值为止。

3　变频恒压节能的原理

供水系统的控制参数是流量，系统采用的控制方法是阀门控制法和转速控制法。阀门控制法指的是当水泵的发电机转速保持不变的情况下，根据阀门打开的程度来控制流量。转速控制法指的是当阀门的打开程度不变的时候，通过水泵发电机的转速来控制流量。由水泵的变速运行2定律，3

可以得出以下公式：

其中Q表示流量，H表示扬程，P表示功率。公式1-1中的Q1，H1，P1指的是水泵变速之前的参数，而Q2，H2，P2指的是水泵变速后的参数，式中说明了水泵的功率之比与转速的立方是成正比的关系，扬程与转速的平方成正比，流量与转速成正比。恒压变频的供水系统通过自动设置泵组的台数，从而实现对供水压力的闭环控制，该系统的泵组是由PLC何变频器组成的。恒压变频的供水系统的结构框图如图1所示。

图1　变频恒压供水系统框架图

从图1中可以看出压力传感器传送给PLC的电压信号的产生是用户增加了用水量后，管网里的压力减小后形成的。接着PLC内置的PID控制器就会对变频器的频率进行计算，当频率增加的时候，水泵的转速也相应地增加，最后形成一个稳定的局面；如果用户减少用水量的时候，如上所描述的一样，也可以形成一个稳定的局面。

4　系统的软件设计

本论文中讨论的系统的软件核心是PLC，主程序中完成的任务主要包括了生成泵切换信号，泵组接触器逻辑信号以及设备的供水情况和设备的故障情况，以及故障出现后如何进行故障提示的。当电机过载设备的时候，热继电器就会把过载的信号发送给PLC，PLC收到后就会触发报警的设备，接着就会采取“过载处理”的措施。该系统中的软件之间彼此形成了“互锁”的状态，同时硬件也实现了“互锁”。系统中工作的时候很可能出现点击空转的现象，所以为了杜绝这种情况的出现，在设计方面引入了液位信号。该信号可以处理出现电机空转的情况。当水位比较低的时候，PLC就会收到数字的开关信号，然后进行相应的处理，这样可以有效地避免电机的损坏。晚上的时候，由于用水量的需求会降低，当水压达到了一个系统的默认值时，辅泵就会停止工作，等到该默认值是比管网的压力值高的时候，辅泵才会恢复工作。主程序流程图如图2所示。

图2　主程序流程图

5　恒压变频供水系统的硬件设计

5.1硬件的选择

根据用户的日常用水规律可以分为三个时间段，早上，中午，晚上，当用水流量需求低的时候，归为连续型流量变化型，用水量需求最大和用水量需求最低之间的差距是很大的。供水压力的默认值的设置主要是根据组合工频泵和变频泵。恒变频在节能方面远远优于工频的水泵30%。

本系统主要选择的水泵的功率是55kW，一共有三台其中主水泵采用的是150SFL160-20x4，辅水泵采用的是50SFL12-15 x5，之所以选择SFL型号的水泵是考虑到其寿命周期长，可靠性强，低噪音等优点。电流与驱动电机的额定功率之间的关系如下所示：

其中上式中的PCM指负载水泵输出功率，η指水泵的效率，通常情况下η的取值是在0.85以上，是水泵的电压，IM是水泵的工频电流，k 是电流波形修正系数。同时满足以上三个不等式的就是所需要选择的变频器，而本系统选择的变频器是MM440。

5.2PLC的选择

PLC主要应用中工业领域，计算机领域以及通信领域等等。PLC在整个恒压变频的供水系统中承担着重要的角色，PLC将采集到的数据进行交换，然后将计算的结果发送到执行机构。

6　PLC变频恒压供水系统的运行方式

6.1手动控制

手动控制的使用场合是检查设备的时候，也可以是在PLC出现故障的时候通过手动控制的方式进行故障的紧急处理，除此之外还可以把其系统的运转改成工频，这样三台水泵同时工作的话可以尽可能满足用户的对用水量的最大化需求。6.2 自动控制

自动控制是PLC恒压变频系统中的一个最重要的控制方式，自动控制在PLC系统中占有重要的角色。当预先设置好系统中相关的数据，启动阀门和水泵，可以随意地在水泵的工频和水泵的变频之间进行切换。工频与变频之间的变化的实现是通过将系统提前设置的值对比于从传感器中发送回来的数据，完美地展示了PLC变频恒压的自动化技术。