摘要：城市用水量在不同时间段有较大波动,而供水压力仅依靠人工操作存在不稳定性。为满足人们日益增长的用水需求,提高供水系统稳定性,各类工业供水系统中越来越多的使用可编程控制器(PLC)来自动调节供水系统水压。文章简单介绍了PLC控制技术,并提供了一种新型变频恒压供水的系统方案;再结合本市现有供水系统结构,对PLC 变频恒压供水系统的设计进行了探究,设计后的系统具有低成本、高稳定性、宽流量范围、节能等优点。
关键词：plc; 供水系统; 变频; 恒压;
我国的供水系统尤其是城市供水、建筑供水、 工业循环供水等领域的建设一直不完善,由于自动化程度普遍较低,致使大量资源浪费,且供水系统工作中常有不稳定、操作烦琐等缺点[1]。供水系统是城市基础设施中的一大关键组成部分,其变频恒压能力决定了城市供水的稳定性。为满足城市日益增长的用水需求,并提高供水系统稳定性,实现在负荷低峰有效节约水资源浪费,急需一种自动的变频恒压供水系统[2]。
PLC 变频恒压供水系统作为一种新型供水系统,融合自动控制、电气设计等技术于一身,经过实际应用的证明具有很高的经济价值与操作优势。根据许多学者对供水行业的调查,城市的供水功耗在采用变频调速技术后明显降低,并且供水稳定性得到了有效提升。尤其在使用几年之后,能够使由于冗余设计以及用量变化设计时浪费的电能都能够节省下来。许多使用案例表明,基于PLC的变频恒压供水系统减少了设备运行时产生的机械磨损和噪声,降低设备的损耗,提升了设备的使用寿命。本文基于本市原有供水系统结构,结合PLC 技术,对PLC 变频恒压供水系统的设计进行了探究。
1 PLC变频恒压系统概述
PLC即可编程控制器,作为一种工业控制装置,因为其工作可靠易编程的特点,被广泛应用于各类系统控制领域。目前常用的变频恒压供水系统主要由压力传感器、水位传感器、PLC、控制器、若干水泵和若干水阀组成[3]。其中,PLC与变频器组成了PLC 变频恒压供水系统的控制部分,根据水压的高低控制供水,达到在城市对供水有不同需求的时间段稳定水流量和节约电能的目的[4]。
PLC与变频器组成的控制部分一般实现方法为:首先,供水系统出水管上的压力表产生电压信号;电压信号再经由模拟/数字转换模块后得到数字量再送入PLC;PLC内部使用PID运算后,输出变频参考量;此变频参考量经由数字/模拟转换后,得出变频模拟量;最后,将此变频模拟量传送到变频器中,从而控制其输出频率的变化。PLC 变频恒压供水设备的供水方式一般为多泵并联,相较于传统供水系统,其运行的水泵数量的多少是由用水量的大小决定的。当用户用水量在比较小的情况下,可以少量泵通过变频工作,当用户用水量在稍微增加的情况下,仅自动增加泵的频率而不用开启多余泵。
本文基于根据一种简化控制系统设计了闭环的水泵频率控制系统[5],如图1所示。外环为压力反馈闭环控制,内环为水泵转速反馈闭环控制作。根据常规的控制系统设计理论,基于多变量预测控制理论,配对恒压供水系统中的变量以进行控制系统的设计。由PLC实现控制系统中的压力控制器和转速控制器,当压力发生变化时,控制系统中所有泵以相同的趋势改变转速,使转速基本保持一致。压力值满足要求后,压力控制器输出不变,转速控制器分别对各个泵进行控制,即各个泵分别对自身的转速变化进行测量,并进行对应的PID调节。因为转速副回路包含了电源电压等大部分扰动,所以,能有效减少进入控制环节的扰动,也能优化控制过程,因此能提高供水系统流量稳定性。
图1 PCL控制原理图
2 恒压供水系统特性
为了更好地设计供水系统,必须从系统的工作特性出发,考虑几个重要因素对供水系统的影响。供水系统的工作特性主要是扬程特性和管阻特性,其中扬程特性由供水系统本身决定,管阻特性则取决于供水管道对流体的阻力[6]。以流量为横坐标,以扬程为纵坐标,可以将扬程特性和管阻特性以曲线的形式表示在坐标系中。
对于扬程特性,由于此特性由供水系统本身决定,所以是一种固有特性,对于使用固定水泵的供水系统来说其扬程特性曲线比较固定,曲线仅在水泵转速n改变时会发生一定偏移;对于管阻特性,此特性供水管道是对流体的阻力,是对管网的固有特性,对于铺设完毕的供水网络其数值保持固定,即该特性被固化,只有供水网络使用的阀门开度改变时会使该曲线发生偏移。
对于某一特定的供水系统,其扬程特性和管阻特性相对固定。扬程特性即水泵的供水能力,绘制为曲线表现为扬程随流量的增加而减小;管阻特性即用户的用水能力,绘制为表现为扬程随流量的增加而增加。将两种特性曲线绘制在同一扬程—供水流量坐标系中,如图2所示。供水系统的最优工作点即两特性曲线的交点,该点代表了供水系统供水流量和用水流量的平衡点。
图2 系统工作点特性曲线
3 供水系统设计
根据本市目前使用的供水系统,可简化为变频器控制水泵频率,增加或减少运行水泵的数量。在原有系统中增加PLC控制后的变频恒压供水系统结构如图3所示。操作者通过控制部分的仪表和开关实现监控和控制供水系统运行[7]。通过安装在水管外部的压力表,将压力信号转变为标准信号送入压力传感器,输入控制电柜中的,由PLC将接收到的压力信号送入PID模块做运算处理,PID模块比较初始信号与运算结果送入PLC的CPU 模块做频率运算,最后将频率运算结果发给变频器,控制电机调整水泵功率,实现一轮系统控制。
当用户用水量在增加的情况下,水泵运行的频率会随着用水量增加。当工作中的泵功率达到上限且供水压力没有达到预设范围时,新启动一个泵,并按照上述过程调整水压。用户用水量在减少的情况下,水泵运行频率会自动调节,直到降至下限运行频率和关闭多余泵。
为了合理确定供水系统的上限和下限频率,需要对应水泵的额定频率。在传统供水系统中,水泵上限频率为额定频率,但由于变频恒压供水系统的变频器具有转差补偿调节能力,所以在恒压供水系统的实际使用情况下,水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速,使得水泵和电动机的负载增加,因此泵的上限频率应当略小于额定频率。而供水系统的下限频率,取决于泵的性能,当泵的转速过低,会出现水泵的扬程小于基本扬程,水泵出现空转的现象即达到供水系统下限频率。
图3 基于PLC的简化供水系统示意图
相比原有系统,PLC的变频恒压供水系统在用水量高峰时,水泵频率升高,水泵数量增加,供水量增大;在用水量低峰时,水泵频率降低,水泵数量减少,供水量降低,其水泵的转速相应减慢,供水量也会减小。从而保证用户的用水需求,实现用多少水,供应多少水,在负荷低峰节约能源浪费。
4 系统使用要求与效果
PLC的变频恒压供水系统作为一个完整的城市供水系统,必须保证其供水质量和效率。该系统在运行过程中实现功能依靠变频器。因为变频器是通过参数设定才能够展开工作,所以,变频器在选择过程中需要具有科学性。变频器的主要作用是控制水泵电机,必须充分考虑变频器多台泵循环变频、固定方式切换、最大电压、最大频率等功能,同时要具有节能、稳定、安全的特点。
除了满足基本供水功能,PLC恒压供水系统应当包含运行变频器的启动控制、工频转换器、监控报警、热机保护、故障复位等。
启动控制部分必须结合手动运行控制方式和自动运行控制方式,当系统出现异常运行时,便需要手动运行控制方式及时应对系统的异常。
监控报警部分能对运行状态实时监控,如运行频率、运行功率、输入电压、输出电压、输入电流、输出电流等变频器的运行状态数据必须处于系统的实时监控下。当主要参数超过报警值,系统能根据预先设置好的信号来进行分析判断并采取必要的处理结果,避免事故的发生。
5 结语
随着社会经济的快速发展、城市化进程的加速和现代工业设施的建设,对我国供水系统提出了更高的要求,尤其是城市供水、建筑供水、 工业循环供水等领域,急需更高的可靠性和经济性。本文基于本市原有供水系统结构,结合PLC技术,对PLC变频恒压供水系统的设计进行了探究。相比原有系统,PLC的变频恒压供水系统在用水量高峰时,水泵频率升高,水泵数量增加,供水量增大;在用水量低峰时,水泵频率降低,水泵数量减少,供水量降低,其水泵的转速相应减慢,供水量也会减小。通过使用PLC变频恒压供水系统,能提高供水稳定性同时节约能源浪费,具有很高的经济价值与操作优势。
参考文献
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[2] 袁钰琪,高健桐.基于 PLC 的变频恒压供水系统的研究[J].农家参谋,2019(24):163.
[3] 王学林.基于PLC变频恒压供水系统的电气设计研究[J].科学技术创新,2019(17):194-195.
[4] 石建军.浅析PLC供水系统[J].农业与技术,2015(35):61.
[5] 刘大伟,孙立军,曹宇虹,等.基于水泵转速控制的流量装置供水系统研究[J].控制工程,2018(25):570-576.
[6] 宋晗.基于PLC的变频恒压供水系统的研究与设计[D].济南:山东大学,2014.
[7] 谭景辉.变频恒压供水系统的设计[J].创新与实践,2019(26):36-37.
