基于PLC的居民小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李夢(mèng)瑤

摘要：居民小區(qū)用水量呈現(xiàn)一定的規(guī)律，有用水高峰期和低峰期。在用水高峰期，水的供給量常低于居民需求，出現(xiàn)水壓過低導(dǎo)致水供不應(yīng)求的情況出現(xiàn)；在用水低峰期，供水量超過需求量，從而出現(xiàn)水壓升高，不僅浪費(fèi)水資源，同時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)管道壓力過大引起爆裂和用水設(shè)備損壞的情況。為了解決這個(gè)問題，將PLC變頻技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)可以通過變頻技術(shù)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而能夠自動(dòng)保持水管內(nèi)的水壓恒定，并且它還可以根據(jù)居民用水情況對(duì)其實(shí)行操作系數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足各樓層居民的日常用水，改變了以往高層水壓上不來的情況。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻 恒壓 供水系統(tǒng)

一、變頻恒壓供水系統(tǒng)介紹

恒壓供水是指用戶端在任何時(shí)候，不管用水量的多少，都能保持供水管道中水壓的基本恒定。恒壓供水系統(tǒng)中，為了保持供水管道中的水壓基本恒定，需要根據(jù)設(shè)定的供水管道壓力與實(shí)際的管道壓力的進(jìn)行比較，得到的壓力差經(jīng)過PlD控制器計(jì)算和轉(zhuǎn)換，得到變頻器輸出頻率的變化值，從而調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)管道中水壓的目的。最終使實(shí)際水壓和設(shè)定水壓相等。變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

根據(jù)公式：n=60f/p，在極對(duì)數(shù)p不變的情況下，同步轉(zhuǎn)速n和電源頻率f成正比。連續(xù)地改變供電電源頻率，就可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，被稱之為變頻調(diào)速。變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)變速，根據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到維持恒定供水壓力的目的。

根據(jù)流體力學(xué)的原理，水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，電動(dòng)機(jī)軸上的消耗功率和轉(zhuǎn)速的平方成正比。采用交流變頻調(diào)速恒壓供水。不僅可以保證供水水源穩(wěn)定，又能有效減少電能的損耗。變頻恒壓供水首先節(jié)能是最主要的特點(diǎn)，平均可以節(jié)電20%-40%，實(shí)現(xiàn)了綠色用電。體積小配置靈活，自動(dòng)化程度高。自動(dòng)化水平高，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約人力物力等優(yōu)點(diǎn)。

研究已知包括官網(wǎng)、水箱、水泵機(jī)組的被控對(duì)象可以看成一個(gè)純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓比較慢，敵系統(tǒng)是一個(gè)大滯后系統(tǒng)，不宜直接采用PlD調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而應(yīng)采用PLC參與控制的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

本設(shè)計(jì)中的技術(shù)要求有：

（1）供水壓力正常設(shè)定為0.5MPa，最大供水壓力為0.6 MPa，最小供水壓力為0.1 MPa，水壓的波動(dòng)不超過士1%。

（2）采用四個(gè)水泵供水，并能夠完成自動(dòng)和手動(dòng)控制。

（3）水泵機(jī)組采用循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式；系統(tǒng)開始啟動(dòng)時(shí)，第一臺(tái)水泵變頻工作，當(dāng)水壓滿足不了需求時(shí)，第一臺(tái)工頻運(yùn)行，投入第二臺(tái)變頻運(yùn)行，以此類推，直到第四臺(tái)水泵啟動(dòng)；水泵停泵時(shí)，先停第一臺(tái)正在工頻工作的水泵，以此類推，再停在變頻工作的水泵。

二、系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)

1.控制方案的選擇

本設(shè)計(jì)采用交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方案。變頻恒壓供水有兩種運(yùn)行方式（1）補(bǔ)償式運(yùn)行方式（2）循環(huán)軟啟動(dòng)運(yùn)行方式。分析兩種運(yùn)行方式的優(yōu)缺點(diǎn)，最終本設(shè)計(jì)采用循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式。

2.控制器的選擇和控制系統(tǒng)的組成

本設(shè)計(jì)采用主-從控制結(jié)構(gòu)，即上下級(jí)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制。上位機(jī)采用PC機(jī)，下位機(jī)采用PLC。

變頻恒壓供水系統(tǒng)有水箱、管路、閥門和水泵機(jī)組、電氣操作系統(tǒng)和各種傳感器、儀表等所組成。其中水箱包括上位水箱和下位水箱；電器操作系統(tǒng)以PLC和變頻器為核心，還包括小型斷路器、交流接觸器、熱繼電器、直流電源以及指示燈和主令電器等；傳感器和儀表由溫度傳感器、壓力變送器、電壓變送器、電流變送器、功率變送器等組成。水泵機(jī)組有四臺(tái)TLS40-200單級(jí)單吸式離心泵組成，這種水泵運(yùn)行穩(wěn)定、噪聲小、便于維修。

①PLC的選擇

根據(jù)本設(shè)計(jì)中的控制要求，估算本設(shè)計(jì)有20個(gè)開關(guān)量輸入，輸出，還有電壓、電流、壓力等10個(gè)模擬量輸入，輸出。通過計(jì)算可知，開關(guān)量和模擬量總共需要2706字節(jié)的存儲(chǔ)空間，再考慮到程序存儲(chǔ)空間和備用存儲(chǔ)空間，估計(jì)本系統(tǒng)需5KB存儲(chǔ)器容量。

根據(jù)輸入，輸出的點(diǎn)數(shù)和估算出的存儲(chǔ)器容量，選擇PLC型號(hào)和模塊擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列的PLC，主機(jī)為CPU224模塊。該模塊共有24個(gè)I/O點(diǎn)，13KB的存儲(chǔ)器容量，另外還具有PID控制器，完全能滿足系統(tǒng)的需求。

②變頻器的選擇

變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速控制，通過跟蹤PlD控制器發(fā)出的控制信號(hào)來改變水泵的運(yùn)行頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的改變。本設(shè)計(jì)采用西門子MM440矢量型變頻器。變頻器采用循環(huán)工作方式。

③變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

壓力變送器型號(hào)EHT-13-2、流量變送器型號(hào)LW-25、溫度變送器型號(hào)JWSL-3AT；上述變送器完成對(duì)信號(hào)和檢測(cè)和變送。執(zhí)行結(jié)構(gòu)為電磁閥和流量閥。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①模塊化程序設(shè)計(jì)

程序包括主程序、定時(shí)采樣子程序、PlD控制子程序、故障報(bào)警子程序等。其中主程序流程圖如圖2所示。

②控制周期的選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇系統(tǒng)的采樣周期為200ms，濾波周期和控制周期均為6.4s。

⑨PID參數(shù)自整定

S7-200系列的PLC控制器參數(shù)的整定由自整定的功能，可以實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自整定。

三、結(jié)論

本設(shè)計(jì)中的變頻恒壓供水系統(tǒng)投入使用后，供水壓力恒定，滿足了各種設(shè)計(jì)要求。endprint