恒壓供水系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)訓(xùn)中的應(yīng)用

張松宇

摘 要：近年來(lái)，伴隨電子技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的使用愈加廣泛價(jià)格越來(lái)越低。很多小型機(jī)電系統(tǒng)，開(kāi)始采用變頻調(diào)速。同時(shí)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視，很多廠家使用變頻器對(duì)許多老舊系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，使得變頻調(diào)速有了更廣闊的空間。針對(duì)這種變化，為順應(yīng)社會(huì)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，在我校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)訓(xùn)中，加入恒壓供水系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試，讓學(xué)生更深刻地理解變頻器的使用方法，以及PLC電氣控制系統(tǒng)的原理及架構(gòu)，為日后學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域工作，積累技能與經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：恒壓供水;PLC;變頻器;觸摸屏

【中圖分類號(hào)】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1008-1216（2016）01C-0083-02

供水系統(tǒng)是國(guó)民生產(chǎn)和生活中不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)中，水泵以工頻運(yùn)行，由于終端用水量不穩(wěn)定，從而造成管道壓力波動(dòng)較大，對(duì)設(shè)備損害大，浪費(fèi)能源。

變頻調(diào)速當(dāng)下已是一種成熟的無(wú)級(jí)調(diào)速方式，由于其優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場(chǎng)合。其中，恒壓供水是變頻調(diào)速應(yīng)用的一個(gè)典型，它有著供水壓力恒定、節(jié)約電能、控制可靠等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于此，通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)試一套恒壓供水系統(tǒng)，讓學(xué)生了解變頻器的原理和調(diào)試方法，通過(guò)PLC控制，讓學(xué)生掌握PLC電氣控制系統(tǒng)的架構(gòu)，以及通過(guò)HMI（人機(jī)界面）來(lái)控制變頻器的方法。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)以下知識(shí)與技能目標(biāo)：深刻理解理論知識(shí)，掌握相關(guān)編程指令含義及使用方法;獨(dú)立完成一個(gè)小型機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，提高學(xué)生動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

一、恒壓供水系統(tǒng)介紹

恒壓供水系統(tǒng)，顧名思義就是要保證供水壓力恒定。以自來(lái)水管網(wǎng)為例，一般在白天，尤其是做飯時(shí)間，用水量較大，管道壓力降低，在夜間用水量較小，管道壓力上升。如果水泵采用工頻運(yùn)行，那么在用水量大的時(shí)候，不能滿足整個(gè)管網(wǎng)的用量，而在夜間用水量小的時(shí)候，則會(huì)造成管道壓力加大，降低設(shè)備使用壽命，且浪費(fèi)電能。

采用恒壓供水系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)管道壓力傳感器的壓力控制水泵轉(zhuǎn)速。用水量大，管道壓力降低，水泵高速運(yùn)行;用水量小，管道壓力基本保持不變，水泵以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，保持管道壓力即可。水泵功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，轉(zhuǎn)速下降后，水泵輸出功率則以3次方降低。由此可知，水泵低速運(yùn)行時(shí)，恒壓供水節(jié)能效果。

二、變頻器簡(jiǎn)介

恒壓供水系統(tǒng)，要想改變改變供水壓力，必須改變水泵的轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式N=60F/P，要想改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，有兩個(gè)途徑：改變頻率F和改變電機(jī)極對(duì)數(shù)P。電機(jī)要想改變極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較麻煩，而且不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。通過(guò)改變頻率F調(diào)速，就是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，向著集成化、數(shù)字化和模塊化方向發(fā)展，從而使變頻調(diào)速裝置的可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)的性能指標(biāo)都在不斷提高。

變頻器是一種可以改變電網(wǎng)頻率的電氣設(shè)備?，F(xiàn)在變頻器主要有兩種變頻方式：交直交和交交變頻方式，受制于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理，交交變頻適合于低頻、大功率場(chǎng)合。而交直交變頻器有著更寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，被廣泛地應(yīng)用于各種傳動(dòng)裝置。在恒壓供水系統(tǒng)中，選用交直交變頻器。

交直交變頻器第一個(gè)環(huán)節(jié)是整流，一般為三相橋式整流電路，根據(jù)變頻器的性能，整流電路分為不可控型、半控型和全控型。性能以全控型整流電路最佳，可以將制動(dòng)產(chǎn)生的電能回饋到電網(wǎng)，而且變頻器產(chǎn)生的諧波危害更小。這也是日后發(fā)展的趨勢(shì)。第二個(gè)環(huán)節(jié)是直流濾波，濾波環(huán)節(jié)有電流型和電壓型的區(qū)別。電流型是以電抗器濾波，電壓型是以電容濾波。第三個(gè)環(huán)節(jié)是逆變環(huán)節(jié)。一般是以全控型電力電子器件IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)機(jī)因頻率變化導(dǎo)致磁飽和造成勵(lì)磁電流增大，引起功率因素和效率的降低，所以，需對(duì)變頻器頻率和電壓的比例進(jìn)行控制，使該比例保持恒定，即V/F控制。這也是變頻器應(yīng)具備的基本功能，現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，變頻器控制性能不斷提高，完善的保護(hù)措施，使其成為可靠的電氣設(shè)備。

三、恒壓供水系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)以上介紹，恒壓供水系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，使用觸摸屏進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，出于實(shí)訓(xùn)安全考慮，變頻器采用單相交流220V進(jìn)線。

設(shè)計(jì)要求：通過(guò)觸摸屏可以設(shè)定及更改供水壓力，能夠通過(guò)按鈕啟停系統(tǒng)，管道壓力發(fā)生變化后，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)壓力維持在設(shè)定值附近。

（一）系統(tǒng)配置

觸摸屏：西門子SMART LINE，具備串口，以太網(wǎng)通信。

中央處理器：西門子S7-200SMART ST40，具備串口、以太網(wǎng)通信。

變頻器：西門子M420，可以進(jìn)行面板操作、端子控制，通信可選。

恒壓供水系統(tǒng)電氣原理圖

（二）實(shí)例說(shuō)明

該恒壓供水系統(tǒng)，采用S7-200 SMART ST40型PLC作為控制器，S7-200 SMART是西門子公司一款高性價(jià)比小型PLC，CPU上集成了最多可達(dá)60點(diǎn)的I/O通道，可進(jìn)行通信端口、數(shù)字量、模擬量通道的擴(kuò)展，更重要的是CPU標(biāo)配以太網(wǎng)口，支持TCP/IP協(xié)議，一根普通的網(wǎng)線就可以將CPU與編程電腦相連，方便快捷。

CPU通過(guò)串口與觸摸屏進(jìn)行通信。觸摸屏上可以設(shè)定及更改供水系統(tǒng)壓力，由于實(shí)訓(xùn)室沒(méi)有條件安裝壓力傳感器，并提供一個(gè)波動(dòng)的壓力值，我們?cè)谟|摸屏上設(shè)置了一個(gè)通道，可以輸入壓力值，通過(guò)改變這個(gè)值，模擬管道壓力變化。觀察壓力改變后，系統(tǒng)是否可以按照設(shè)計(jì)要求，使系統(tǒng)壓力維持在設(shè)定值附近運(yùn)行。

恒壓供水系統(tǒng)啟動(dòng)和停止，使用PLC外接的按鈕進(jìn)行控制，電氣圖上設(shè)置了一個(gè)反轉(zhuǎn)的按鈕，是用來(lái)讓學(xué)生了解變頻器的，對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)無(wú)意義。變頻器的調(diào)頻信號(hào)，通過(guò)S7-200 SMART的模擬量擴(kuò)展模塊EM AM06中的模擬量輸出通道給變頻器提供4-20mA信號(hào)。

硬件線路接線具體見(jiàn)圖，要實(shí)現(xiàn)恒壓供水，還需要用到一個(gè)重要的控制算法——PID。PID是控制理論中經(jīng)典的控制算法，各種版本的《控制理論》中都有詳細(xì)的描述，在這里不再贅述。通過(guò)PID的調(diào)節(jié)功能，在給定了壓力值以后，PID會(huì)根據(jù)反饋（觸摸屏上模擬壓力的設(shè)定值），進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，輸出調(diào)頻信號(hào)，控制變頻器轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到控制壓力的目的。

S7-200 SMART的編程軟件是STEP7-Micro/WIN SMART，在編程軟件中有PID整定面板，同時(shí)，SMART CPU也支持PID自整定功能，這兩項(xiàng)功能相結(jié)合，使得這一功能的使用變得更加簡(jiǎn)便。另一種辦法就是根據(jù)自控理論列出傳遞函數(shù)，自己去整定比例、微分的參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。

四、結(jié)束語(yǔ)

恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電控制系統(tǒng)，通過(guò)該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，讓學(xué)生對(duì)書中的理論知識(shí)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí);其次，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，讓學(xué)生了解一個(gè)實(shí)實(shí)在在的工程從設(shè)計(jì)到調(diào)試各個(gè)環(huán)節(jié)要注意的事項(xiàng)，提高綜合素質(zhì)，為日后從事相關(guān)工作，打下好的基礎(chǔ)。

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