机电一体化在供水系统中的应用研究

白梦奎

（山东省招远市自来水公司，山东 招远 265400）

引言：机电一体化在供水系统中具有重要应用价值，需要建立有效的控制方式，合理对变频调速技术进行应用，实现恒压供水过程。在设计过程中，需要注重系统的整体设计，为系统的稳定工作提供良好环境，同时需要加强监控系统的设计，保障系统能够安全地运用。

一、机电一体化在供水系统中的应用优势

（一）恒压稳定

机电一体化供水系统具有恒压稳定的特点，将其应用在供水系统中具有显著的优势。在控制方式方面，采用PLC 作为控制器，可以将控制算法编写进控制器，使其具有较强的控制能力，对供水压力进行准确调节。在供水系统中，具有严格的编程逻辑，可以对压力实现有效调配，将压力控制在一定范围内。通过机电一体化技术，能够提高供水的自动化能力，使供水方式更加地完善，保障供水的稳定性。采用恒压供水方式，一方面，可以提高供水的效率，利用充足的供水压力，将自来水供应到千家万户。另一方面，可以降低电能的消耗，具有良好的解决作用。稳压供水需要借助压力传感器实现，同时借助控制器的作用，形成闭环控制方式，进而实现水压的精确调节[1]。

（二）操作方便

机电一体化供水系统操作较为方便，应用PLC 控制器后，能够提高自动控制水平，保障水压可以自动进行调节。在参数控制方面，采用了PID控制算法，可以对水压进行在线调节，形成稳定的供水条件，实现稳定的供水控制。机电一体化有助于编程逻辑的实现，具有良好的水压检测能力，同时采用变频调速系统对供水进行调节，进而实现压力控制效果。通过控制器可以将各个控制元件结合起来，对其进行统一的管理，并且采用统一的控制方式，进而使供水操作更加的方便。由于采用了变频调速方式，使调速控制效果得到较大提升，能够避免人工采取调速的方法，进而提高水泵调速控制水平。

（三）智能控制

机电一体化供水系统具有智能控制能力，可以对供水过程进行智能化调节，实现供水的稳定控制。PLC 控制器可以对水压进行自动调节，为了进一步提升调节效果，需要对调节参数进行控制。在供水系统中采用PID控制方式，需要对P、I、D 三个参数进行控制，通常采用在线调节方式，使调节效果更加地可靠，实现稳定的参数控制，保障供水系统能够正常工作，形成稳定的供水条件。供水系统可以自动进行供水活动，实现休眠与唤醒的切换，提高供水的稳定性。在供水过程中，监控系统具有重要作用，可以对供水状态进行全面地监测，保障供水参数的合理性，避免供水过程发生异常状况，进而提高供水的安全性。

二、机电一体化在供水系统中的应用分析

（一）变频调速系统

1.供水特点

在供水过程中，受到供水特点的影响，将会为供水带来一定的困难，导致供水效率下降。常见的供水特点如下：第一，滞后性。供水过程采用水泵进行控制，从检测水压到变频调速，中间需要经过一段时间，将会导致控制效果发生滞后，对水压控制造成影响。第二，时变性。受到用户用水量的影响，水压将会受到较大的影响，并且呈现规律的变化状态，无法建立时间与水压的变化关系，进而使供水过程具有时变性。第三，非线性。变频调速系统具有非线性特征，容易受到自身特性的影响，需要做好非线性控制工作，合理地对参数进行调节。第四，多变性。受到管网结构的影响，在供水量方面将会发生一定的变化，使供水系统具有多变性[2]。

2.水泵参数

在采用变频调速方式前，需要对水泵参数进行了解，可以在水泵铭牌上进行查看，进而保障供水系统设计的合理性。水泵主要控制参数如下：第一，流量Q，是衡量水流速度的物理量，单位为m3/h，需要对其做好监测工作。第二，扬程H，可以在一定程度上衡量水压的大小，单位为m。第三，功率Ne，能够体现供水的总能值，计算方法如下：Ne ＝ρQH/1000。其中，ρ 为流体密度。第四，转速n，是变频调速的重要控制量，单位r/min，是实现变频控制的关键。第五，效率η，是衡量变频调速效率的物理量，为有效功率Ne 与轴功率N的比值，即η ＝Ne/N。水泵参数是实现稳定变频调节的关键，可以保障变频调速的实现。

3.调速机理

水泵采用三相异步电机进行控制，具有稳定的调速机制，有助于变频调速方式的实现。电机转速由电压频率进行控制，通常情况下，电压频率越高，电机转速就会越快。在供水系统中，采用压力传感器对水压进行检测，当水压发生变化时，会将变化情况传递给控制器，再由控制器对水泵的电压频率进行控制，这样便可以对水流的速度进行控制，实现良好的水压调节效果。同时，水泵变频调速可以起到一定的节能效果，可以对水泵的控制开度进行调节，使水泵工作效率得到提升。另外，通过变频控制可以避免水泵出现超载现象，使水泵产生热量积累，导致额外的电能消耗，导致电能出现浪费。

（二）恒压供水系统

1.控制器选择

主要工程项目：液压钢坝闸3座、格宾石笼生态护岸10km、景观林带800万m2、河道疏浚清淤75万m3。项目总投资为3.1亿元。

恒压供水系统采用PLC 作为控制器，具有稳定的控制效果，保障供水压力的恒定。PLC 控制器具有丰富的触点，可以与外界建立有效的连接，实现良好的控制关系。PLC 为西门子系列，可以对硬件电路进行控制，实现良好的调节作用。硬件电路包括变频器、压力传感器等，控制器需要与两者建立连接关系，这样便可以对水泵形成控制。压力传感器是供水压力检测的关键，可以将压力变化传递给控制器，由控制器对供水压力进行分析，并且采用相应的控制算法，将控制信号传递给变频器，进而对水泵进行调节。通过控制器可以建立供水压力与水泵频率之间的关系，进而起到恒压控制作用[3]。

2.控制算法

供水压力需要采用闭环控制方式，建立有效的反馈调节机制，保障供水压力的恒定。供水压力采用PID 控制方式，控制的重点在于PID 参数的调节，提高参数控制的稳定性。PID 是一种较为经典的控制方式，具有控制效果稳定的特点，有助于闭环反馈控制的形成。PID 控制参数为比例P、积分I、微分D，需要采用动态调节的形式，对三个参数进行调节。受到用户用水的影响，水压会不断发生变化，通过PID 控制可以将水压限定在一定的范围，实现稳定的水压供应。因此，需要对PID 参数进行动态调节，以此来应对变化的水压情况，不断对控制参数进行修正，使控制器能够稳定地工作。

3.仿真分析

为了保障PID 控制的可靠性，需要对供水系统进行模拟，通过Matlab软件对控制参数进行仿真，确定PID 控制方法的有效性。供水系统具有一定的复杂性，需要将水泵、传感器、变频器等考虑到仿真过程中，并且对传递函数进行求解，使供水系统仿真能够顺利地实现。通过Matlab 软件可以得到阶跃响应曲线，通过曲线可以对供水控制效果进行判断，并且方便对PID 参数进行调节，提高参数对系统的适应性。阶跃曲线先上升，再波动，最后趋于稳定的曲线，系统趋于稳定的时间越短，系统的稳定性也就越高，表明PID 控制具有良好的效果，进而为供水系统的控制提供依据。

（三）控制系统整体设计

1.执行部分

供水系统的执行部分主要由水泵组成，可以满足日常供水需求，保障供水管压的平衡。通过执行部分可以将蓄水池中的水引入到管网，由PLC对变频器进行控制，使水泵能够在一定的压力频率下进行工作，保障水压控制的稳定性。变频器是实现水泵控制的关键，对维系水压平衡具有重要作用，需要将两者有效地进行结合，实现良好的控制效果。PLC 作为控制中心进行使用，是控制变频器的重要设备，能够对压力信号进行收集与处理，制定合理的变频器调节方案，对水泵的转速进行调节，同时保障转速的稳定性。

2.信号处理

PLC 会对信号信息进行汇总，制定出有效的控制策略，使供水系统能够稳定地工作。在供水系统中，主要包含以下信号：第一，水位信号。可以了解水位的变化情况，对蓄水池水位进行控制，实现持续化地供水过程，有助于供水的稳定控制。第二，压力信号。用于对供水压力进行检测，保障供水压力的稳定性，为水压控制提供有效的基础。第三，报警信号。一旦水压超出一定范围，需要立即产生报警，同时对变频器进行调节，使供水压力能够快速恢复。信号由传感器进行捕获，PLC 进行处理，变频器进行控制，最终由水泵进行控制，进而实现供水系统的控制。

3.人机交互

在供水系统中，需要注重人机交互的实现，既要将供水情况反馈给工作人员，又要实现外部对系统的控制。人机交互主要包含三个方面：第一，信息显示。供水过程中系统会产生大量的数据，需要对数据进行显示，方便工作人员对供水情况进行查看，进而对供水信息进行排查。第二，实时监测。为了保障供水系统的稳定性，需要实时进行监测，使数据能够实时得到展示，防止供水过程中出现问题。第三，水压报警。当水压发生异常变化时，需要立即产生报警，提醒工作人员对供水系统进行分析，使水压问题能够及时被发现，进而实现良好的供水质量。

（四）监控系统设计

1.监控界面

为了保障供水系统的监控效果，需要对监控界面进行设计，使监控手段更加地完善。监控界面采用WinCC 进行设计，可以与PLC 建立有效的通信关系，通过可视化的界面对供水系统进行控制，提高供水过程的可靠性。监控界面具有丰富的组态信息，可以对系统状态进行动态显示，实时对供水压力进行检测，进而实现供水压力的显示。监控界面需要易于进行操作，合理对主界面进行设计，由主界面来调度其它界面，对供水系统进行全面地显示，使界面之间能够稳定显示。通过监控界面可以对供水系统进行手动控制，对其进行主动调节，对工作状态进行控制[4]。

2.报警信息

在供水系统中，需要做好报警消息的设置，一旦供水压力发生波动，需要立即产生报警，对工作人员进行提醒。在供水压力方面，需要将其稳定在一定范围，当供水压力不在该范围后，将会立即产生报警信息，使水压问题得到及时解决。在正常工作条件下，PLC控制器可以对水压自动调节，对水泵的转速进行控制，进而实现供水压力的控制。在这种情况下，并不会产生报警信息，往往在供水系统出现较大波动时才会产生报警信息，一方面，说明供水压力发生较大的变化，系统来不及对水压进行调节。另一方面，说明供水系统可能存在故障，需要对其进行检修。无论何种情况的报警，都需要引起足够的重视，及时对报警问题进行处理。

3.数据展示

供水系统监控过程中，需要对数据信息进行展示，方便工作人员对供水信息进行查看，进而对运行情况进行判断。在供水监控系统中，具有多种数据显示形式，如报表、图形等，使供水数据的显示更加地直观，实现良好的数据展示效果。通过监控系统可以对数据进行打印，可由Microsoft Excel 实现打印，在系统外部对数据进行查看。数据打印功能可由WinCC的C 脚本进行设计，与打印按钮进行配合，进而保障数据展示功能的实现。

结论：综上所述，机电一体化可以提高供水系统的供水质量，做好应用工作较为必要，能够提高对供水压力的控制效果，保障供水的稳定性。而且，采用机电一体化有助于电能的控制，并且可以降低水资源的消耗，是一种节能化的供水方式，进而促进供水公司的发展。