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探析PLC和变频技术在恒压供水系统的应用

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：程海隆

[导读] 摘要：目前我国供水系统与发达国家相比较仍旧较为落后，而且存在水资源浪费、耗电量大等问题，无法适应当前社会的可持续发展，因此将PLC和变频技术引进到供水系统中，确保供水系统的高效和稳定。

        上海东方泵业（集团）有限公司
        摘要：目前我国供水系统与发达国家相比较仍旧较为落后，而且存在水资源浪费、耗电量大等问题，无法适应当前社会的可持续发展，因此将PLC和变频技术引进到供水系统中，确保供水系统的高效和稳定。本文主要研究我国供水系统的现状，分析PLC及变频技术在供水系统的应用，研究其硬件和软件之间的拟合程度，同时提出优化供水系统的具体措施，确保供水系统的高效运转，保障人们的生活质量。
        关键词：PLC技术；变频技术；恒压供水系统
        前言：保证供水系统的稳定运行是企业展开生产经营活动的基础，因此将PLC以及变频技术运用在供水系统中，利用计算机、变频技术以及可以进行编程的控制器，将其引进供水网络中，优化供水系统，提高对水资源的管理，避免造成水资源浪费，促进资源的合理利用，实现经济的可持续发展。
        一、恒压供水系统的硬件分析
        （一）恒压供水系统的优势
        我国的供水系统建设不完善，自动化程度较差，因此存在水资源大量浪费的情况，同时由于供水系统工作不稳定、操作方法较难、对工作人员技术水平要求较高等缺陷，导致传统供水系统已无法满足当前的需求，而PLC变频恒压供水系统恰好弥补了上述缺点，不仅能满足人们对用水量的高需求，而且有效的节约了水资源和电量，促进我国供水系统的升级。恒压供水系统指的是无论用水量多少，系统网内基本保持水压恒定，不仅能够满足居民和企业对用水量的需求，同时避免造成发动机空转，造成能源浪费，由此促进水资源的合理配置。控制系统主要由PLC设备、一台压力变送器、一台较小的变频器以及水泵电机组构成，PLC控制供水系统中通过控制水泵的运行状态，从而实现对水泵组的整体控制，水泵的速度可以调节变频器的速率，也可以实现变频器控制水泵组。例如以某小区供水系统为例，由于采用封闭式的管网，所以用户的用水量决定泵站的流量，根据公式△P=KQ2，其中K为常数，如果供水系统中P值减少，即系统压力下降，那么供水系统中Q值，即供水流量就会减少，因此在供水系统中，根据压力值的变化不断调节供水流量。
        （二）恒压供水系统运行模式
        恒压供水系统主要有三种运行模式，第一种是手动运行方式，即手动按下运行或者停止的开关，控制系统采用互补干扰的模式，可以分别控制水泵的开关，手动运行方式主要应用于供水系统的检修以及处理变频器故障时采用。第二种是自动运行模式，即根据供水系统中的压力、变频量等进行参数调节，从而控制系统的稳定运行。例如，如果供水系统突然停电，那么供水系统就会停机，电源恢复正常使用后，系统自动正常运转，同时自动控制变频器变频，从而令水压值稳定，保证供水系统的正常高效运转。第三种时消防运行模式，在传统的供水系统中，经常在着火时，供水量增大，但系统压力不足，导致消防设施无法使用，将PLC和变频器技术应用在供水系统，保证消防用水[1]。例如，在消防用水时闪烁红灯，利用紧急按钮可以使水泵组不受压力的限制，继续进行高效工频的工作状态，从而解除系统的锁定，保证消防用水量。
        二、PLC和变频技术在恒压供水系统中的应用分析
        （一）城市供水系统的基本原理
        PLC变频恒压作为一种新型供水系统，其主要采取自动控制和电气设计进行优化供水系统的设计，在实际应用中具有很高的操作优势，能够产生较大的经济效益。根据工作人员对供水系统的调研，城市供水系统在结合PLC技术后，供水稳定性大幅度提高，同时城市供水的功能损耗也明显减少，许多城市供水系统升级改造不仅减少了城市噪音，降低了设备的磨损，同时增加了机械设备的使用年限，企业的经济效益提升。PLC变频应用在城市供水系统，保障了供水系统的质量和效率，为了更好的利用供水系统，必须考虑供水系统的工作原理和影响因素，供水系统主要是由扬程特性及管组特性决定其工作模式的，供水管道中水流的阻力是管组特性的直接影响因素，可以将扬程和管阻特性表示在坐标中，其中横坐标表示流量，纵坐标表示扬程特性。

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扬程特性主要由供水系统本身的特性决定，其是一种固有属性，因此对于使用固定水泵电机的城市供水系统，其扬程曲线基本是固定的，较少发生改变，其曲线只有在水泵转速改变时，才会发生偏移，另外，对于管阻特性，其是管网内部的固有属性，主要是供水管道内部水流产生的阻力，一旦供水网络构建完成后，其数值也基本保持稳定，只有供水网络的阀门开合大小，才能使其数值发生改变。由此可见，特性供水系统中其扬程和管阻特性基本保持稳定，即水泵的单位供水能力相对稳定，从曲线关系中可以看出，扬程阻力与流量成反比关系，扬程增加，流量减少，管阻则表示用户的用水量，其和扬程成正比关系，扬程阻性增加，管阻随之增加。
        （二）基于PLC和变频技术供水系统的设计
        目前供水系统主要采取变频器控制水泵的频率，从而调节水泵的数量，维持供水系统的高效稳定。在传统供水系统中增加PLC变频器后，工作人员可以通过控制仪器的表盘及开关对供水系统的运行进行管理和监测，通过在水管外部安装压力表，将压力信号转成标准信号，从而传入压力传感器，控制输入电柜。PLC主要作用是接受压力信号，将其存储输入PID模块，综合数据进行运算，将PID模块、开始时的信号及运算后的数据输入电脑进行频率运算，从而将数据结果发送给变频器，以便调整水泵机组的功率，实现供水系统的稳定运行。例如，用户用水量增加，供水系统中水泵机组的运行频率增加，当水泵功率达到极限时，新启动水泵，保证供水压力，当用户用水量减少时，水泵频率下降，供水系统自动调节水泵频率，自动关闭多于的水泵，减少电量的耗费，节约能源和人力资源。为了保证供水系统的频率范围，需要对其设定额定频率。在传统供水系统中，将水泵的频率峰值定为额定频率，但是由于变频恒压的供水系统能够自动调节水系统流量，水泵机组其转速较高，功率消耗较大，负荷加大，因此在制定水泵机组的额定功率时，应当小于其功率的峰值，同时，供水系统的最小频率主要根据其性能进行制定，水泵空转的频率即为供水系统的最小频率。和传统的供水系统相比，PLC变频恒压供水系统用水量升高时，水泵机组频率加大，水泵使用数量自动增加，导致供水量增加，用水量减少时，水泵机组频率大幅度下降，水泵数量随之减少，导致水泵转速减少，供水系统中供水量减少，既能保证用户的用水需求，同时节约电量和水资源，促进企业的经济效益。
        （三）PLC和变频技术的设计应用
        供水系统中需采用PLC梯形图语言，实现对系统中程序的控制，例如，水压闭环控制主要是由变频器的数字值进行控制的，无需另外安装控制设备，PLC需要在专用的前提下，调整通讯格式，进行通信连接，其中包括对波特率以及停止位的设置，同时调节奇偶校验参数，格式设置完毕后，重新启动PLC，从而令系统自动按照调整后的参数开始运行[2]。通常供水系统的PLC主要受到控制系统的影响，导致输出和输入点数发生变化，而且控制系统的设备数量直接确定了PLC数值，PLC输出端口能够实现对变频器控制，实现控制其启动、停止、变频转换等功能，同时能够连接供水系统中的交流互触器，控制其系统中电流的强弱，保障供水的安全性。变频器是供水系统中水泵机组的控制设备，根据水压将频率信号传输给水泵组，输送频率的范围在0到50赫兹之间，通过传输频率控制水泵电机的转速。供水系统中经常选用日本制造的三菱变频器，该变频器自带控制模式，能够精准控制供水系统的压力、流量甚至温度等。供水系统采用变频自动调节技术后，电能节约量显著，每年约节省了40％的电量[3]。从而促进电机的工作效率提升，避免电机空转，造成的电能浪费，达到节能减排的作用，加快了工作效率，同时变频器在供水系统中的应用，使其变得更加安全稳定，避免对电网造成损坏。另外，由于电泵机组在变频的条件下进行工作，电泵转速降低，从而避免对供电系统中的轴承发热磨损，影响其使用寿命，减少了设备的维修费用，提高了工作人员的工作条件。除此之外，由于采取恒压自动控制系统，减轻了工作人员的工作量，节省了企业成本，令经济效益增大，同时变频器能够进行故障检测，提升电泵机组的安全性和可靠性，极大的增强了经济效益和社会效益。
        结束语：总而言之，随着人们消费需求的升级，传统的供水系统已经无法适应当前的发展趋势，因此将PLC技术和变频技术引进到我国的供水系统中，其恒压供水系统可以根据供水系统的压力自动调节转速，从而实现恒压供水，PLC变频技术不仅优化了供水系统的设计，提高了我国供水系统的高效性和科学性，同时运用科技的手段保持供水系统的高效和稳定运行，减轻了相关工作人员的工作量，提高了其工作效率，实现企业经济效益的提升。
        参考文献：
        [1]王书强.基于PLC的东营变频恒压供水系统研究[J].智能城市,2020,6(06):27-28.
        [2]孙智宗.自来水厂PLC变频恒压供水系统的研究与设计[J].数字通信世界,2019(09):92.
        [3]厉翔.基于PLC控制的智能变频恒压供水系统[J].自动化应用,2019(12):4-6.