白夢(mèng)奎
(山東省招遠(yuǎn)市自來水公司,山東 招遠(yuǎn) 265400)
引言:機(jī)電一體化在供水系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值,需要建立有效的控制方式,合理對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)恒壓供水過程。在設(shè)計(jì)過程中,需要注重系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供良好環(huán)境,同時(shí)需要加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),保障系統(tǒng)能夠安全地運(yùn)用。
機(jī)電一體化供水系統(tǒng)具有恒壓穩(wěn)定的特點(diǎn),將其應(yīng)用在供水系統(tǒng)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在控制方式方面,采用PLC 作為控制器,可以將控制算法編寫進(jìn)控制器,使其具有較強(qiáng)的控制能力,對(duì)供水壓力進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。在供水系統(tǒng)中,具有嚴(yán)格的編程邏輯,可以對(duì)壓力實(shí)現(xiàn)有效調(diào)配,將壓力控制在一定范圍內(nèi)。通過機(jī)電一體化技術(shù),能夠提高供水的自動(dòng)化能力,使供水方式更加地完善,保障供水的穩(wěn)定性。采用恒壓供水方式,一方面,可以提高供水的效率,利用充足的供水壓力,將自來水供應(yīng)到千家萬戶。另一方面,可以降低電能的消耗,具有良好的解決作用。穩(wěn)壓供水需要借助壓力傳感器實(shí)現(xiàn),同時(shí)借助控制器的作用,形成閉環(huán)控制方式,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水壓的精確調(diào)節(jié)[1]。
機(jī)電一體化供水系統(tǒng)操作較為方便,應(yīng)用PLC 控制器后,能夠提高自動(dòng)控制水平,保障水壓可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在參數(shù)控制方面,采用了PID控制算法,可以對(duì)水壓進(jìn)行在線調(diào)節(jié),形成穩(wěn)定的供水條件,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供水控制。機(jī)電一體化有助于編程邏輯的實(shí)現(xiàn),具有良好的水壓檢測(cè)能力,同時(shí)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)對(duì)供水進(jìn)行調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力控制效果。通過控制器可以將各個(gè)控制元件結(jié)合起來,對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的管理,并且采用統(tǒng)一的控制方式,進(jìn)而使供水操作更加的方便。由于采用了變頻調(diào)速方式,使調(diào)速控制效果得到較大提升,能夠避免人工采取調(diào)速的方法,進(jìn)而提高水泵調(diào)速控制水平。
機(jī)電一體化供水系統(tǒng)具有智能控制能力,可以對(duì)供水過程進(jìn)行智能化調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)供水的穩(wěn)定控制。PLC 控制器可以對(duì)水壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),為了進(jìn)一步提升調(diào)節(jié)效果,需要對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行控制。在供水系統(tǒng)中采用PID控制方式,需要對(duì)P、I、D 三個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制,通常采用在線調(diào)節(jié)方式,使調(diào)節(jié)效果更加地可靠,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的參數(shù)控制,保障供水系統(tǒng)能夠正常工作,形成穩(wěn)定的供水條件。供水系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行供水活動(dòng),實(shí)現(xiàn)休眠與喚醒的切換,提高供水的穩(wěn)定性。在供水過程中,監(jiān)控系統(tǒng)具有重要作用,可以對(duì)供水狀態(tài)進(jìn)行全面地監(jiān)測(cè),保障供水參數(shù)的合理性,避免供水過程發(fā)生異常狀況,進(jìn)而提高供水的安全性。
1.供水特點(diǎn)
在供水過程中,受到供水特點(diǎn)的影響,將會(huì)為供水帶來一定的困難,導(dǎo)致供水效率下降。常見的供水特點(diǎn)如下:第一,滯后性。供水過程采用水泵進(jìn)行控制,從檢測(cè)水壓到變頻調(diào)速,中間需要經(jīng)過一段時(shí)間,將會(huì)導(dǎo)致控制效果發(fā)生滯后,對(duì)水壓控制造成影響。第二,時(shí)變性。受到用戶用水量的影響,水壓將會(huì)受到較大的影響,并且呈現(xiàn)規(guī)律的變化狀態(tài),無法建立時(shí)間與水壓的變化關(guān)系,進(jìn)而使供水過程具有時(shí)變性。第三,非線性。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有非線性特征,容易受到自身特性的影響,需要做好非線性控制工作,合理地對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。第四,多變性。受到管網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響,在供水量方面將會(huì)發(fā)生一定的變化,使供水系統(tǒng)具有多變性[2]。
2.水泵參數(shù)
在采用變頻調(diào)速方式前,需要對(duì)水泵參數(shù)進(jìn)行了解,可以在水泵銘牌上進(jìn)行查看,進(jìn)而保障供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。水泵主要控制參數(shù)如下:第一,流量Q,是衡量水流速度的物理量,單位為m3/h,需要對(duì)其做好監(jiān)測(cè)工作。第二,揚(yáng)程H,可以在一定程度上衡量水壓的大小,單位為m。第三,功率Ne,能夠體現(xiàn)供水的總能值,計(jì)算方法如下:Ne =ρQH/1000。其中,ρ 為流體密度。第四,轉(zhuǎn)速n,是變頻調(diào)速的重要控制量,單位r/min,是實(shí)現(xiàn)變頻控制的關(guān)鍵。第五,效率η,是衡量變頻調(diào)速效率的物理量,為有效功率Ne 與軸功率N的比值,即η =Ne/N。水泵參數(shù)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定變頻調(diào)節(jié)的關(guān)鍵,可以保障變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)。
3.調(diào)速機(jī)理
水泵采用三相異步電機(jī)進(jìn)行控制,具有穩(wěn)定的調(diào)速機(jī)制,有助于變頻調(diào)速方式的實(shí)現(xiàn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速由電壓頻率進(jìn)行控制,通常情況下,電壓頻率越高,電機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)越快。在供水系統(tǒng)中,采用壓力傳感器對(duì)水壓進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)水壓發(fā)生變化時(shí),會(huì)將變化情況傳遞給控制器,再由控制器對(duì)水泵的電壓頻率進(jìn)行控制,這樣便可以對(duì)水流的速度進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)良好的水壓調(diào)節(jié)效果。同時(shí),水泵變頻調(diào)速可以起到一定的節(jié)能效果,可以對(duì)水泵的控制開度進(jìn)行調(diào)節(jié),使水泵工作效率得到提升。另外,通過變頻控制可以避免水泵出現(xiàn)超載現(xiàn)象,使水泵產(chǎn)生熱量積累,導(dǎo)致額外的電能消耗,導(dǎo)致電能出現(xiàn)浪費(fèi)。
1.控制器選擇
主要工程項(xiàng)目:液壓鋼壩閘3座、格賓石籠生態(tài)護(hù)岸10km、景觀林帶800萬m2、河道疏浚清淤75萬m3。項(xiàng)目總投資為3.1億元。
恒壓供水系統(tǒng)采用PLC 作為控制器,具有穩(wěn)定的控制效果,保障供水壓力的恒定。PLC 控制器具有豐富的觸點(diǎn),可以與外界建立有效的連接,實(shí)現(xiàn)良好的控制關(guān)系。PLC 為西門子系列,可以對(duì)硬件電路進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)作用。硬件電路包括變頻器、壓力傳感器等,控制器需要與兩者建立連接關(guān)系,這樣便可以對(duì)水泵形成控制。壓力傳感器是供水壓力檢測(cè)的關(guān)鍵,可以將壓力變化傳遞給控制器,由控制器對(duì)供水壓力進(jìn)行分析,并且采用相應(yīng)的控制算法,將控制信號(hào)傳遞給變頻器,進(jìn)而對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過控制器可以建立供水壓力與水泵頻率之間的關(guān)系,進(jìn)而起到恒壓控制作用[3]。
2.控制算法
供水壓力需要采用閉環(huán)控制方式,建立有效的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制,保障供水壓力的恒定。供水壓力采用PID 控制方式,控制的重點(diǎn)在于PID 參數(shù)的調(diào)節(jié),提高參數(shù)控制的穩(wěn)定性。PID 是一種較為經(jīng)典的控制方式,具有控制效果穩(wěn)定的特點(diǎn),有助于閉環(huán)反饋控制的形成。PID 控制參數(shù)為比例P、積分I、微分D,需要采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的形式,對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。受到用戶用水的影響,水壓會(huì)不斷發(fā)生變化,通過PID 控制可以將水壓限定在一定的范圍,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的水壓供應(yīng)。因此,需要對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),以此來應(yīng)對(duì)變化的水壓情況,不斷對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修正,使控制器能夠穩(wěn)定地工作。
3.仿真分析
為了保障PID 控制的可靠性,需要對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行模擬,通過Matlab軟件對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行仿真,確定PID 控制方法的有效性。供水系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性,需要將水泵、傳感器、變頻器等考慮到仿真過程中,并且對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行求解,使供水系統(tǒng)仿真能夠順利地實(shí)現(xiàn)。通過Matlab 軟件可以得到階躍響應(yīng)曲線,通過曲線可以對(duì)供水控制效果進(jìn)行判斷,并且方便對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),提高參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的適應(yīng)性。階躍曲線先上升,再波動(dòng),最后趨于穩(wěn)定的曲線,系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越高,表明PID 控制具有良好的效果,進(jìn)而為供水系統(tǒng)的控制提供依據(jù)。
1.執(zhí)行部分
供水系統(tǒng)的執(zhí)行部分主要由水泵組成,可以滿足日常供水需求,保障供水管壓的平衡。通過執(zhí)行部分可以將蓄水池中的水引入到管網(wǎng),由PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制,使水泵能夠在一定的壓力頻率下進(jìn)行工作,保障水壓控制的穩(wěn)定性。變頻器是實(shí)現(xiàn)水泵控制的關(guān)鍵,對(duì)維系水壓平衡具有重要作用,需要將兩者有效地進(jìn)行結(jié)合,實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。PLC 作為控制中心進(jìn)行使用,是控制變頻器的重要設(shè)備,能夠?qū)毫π盘?hào)進(jìn)行收集與處理,制定合理的變頻器調(diào)節(jié)方案,對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)保障轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。
2.信號(hào)處理
PLC 會(huì)對(duì)信號(hào)信息進(jìn)行匯總,制定出有效的控制策略,使供水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作。在供水系統(tǒng)中,主要包含以下信號(hào):第一,水位信號(hào)??梢粤私馑坏淖兓闆r,對(duì)蓄水池水位進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)持續(xù)化地供水過程,有助于供水的穩(wěn)定控制。第二,壓力信號(hào)。用于對(duì)供水壓力進(jìn)行檢測(cè),保障供水壓力的穩(wěn)定性,為水壓控制提供有效的基礎(chǔ)。第三,報(bào)警信號(hào)。一旦水壓超出一定范圍,需要立即產(chǎn)生報(bào)警,同時(shí)對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié),使供水壓力能夠快速恢復(fù)。信號(hào)由傳感器進(jìn)行捕獲,PLC 進(jìn)行處理,變頻器進(jìn)行控制,最終由水泵進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的控制。
3.人機(jī)交互
在供水系統(tǒng)中,需要注重人機(jī)交互的實(shí)現(xiàn),既要將供水情況反饋給工作人員,又要實(shí)現(xiàn)外部對(duì)系統(tǒng)的控制。人機(jī)交互主要包含三個(gè)方面:第一,信息顯示。供水過程中系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,方便工作人員對(duì)供水情況進(jìn)行查看,進(jìn)而對(duì)供水信息進(jìn)行排查。第二,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了保障供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需要實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè),使數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)得到展示,防止供水過程中出現(xiàn)問題。第三,水壓報(bào)警。當(dāng)水壓發(fā)生異常變化時(shí),需要立即產(chǎn)生報(bào)警,提醒工作人員對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行分析,使水壓?jiǎn)栴}能夠及時(shí)被發(fā)現(xiàn),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的供水質(zhì)量。
1.監(jiān)控界面
為了保障供水系統(tǒng)的監(jiān)控效果,需要對(duì)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì),使監(jiān)控手段更加地完善。監(jiān)控界面采用WinCC 進(jìn)行設(shè)計(jì),可以與PLC 建立有效的通信關(guān)系,通過可視化的界面對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制,提高供水過程的可靠性。監(jiān)控界面具有豐富的組態(tài)信息,可以對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,實(shí)時(shí)對(duì)供水壓力進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水壓力的顯示。監(jiān)控界面需要易于進(jìn)行操作,合理對(duì)主界面進(jìn)行設(shè)計(jì),由主界面來調(diào)度其它界面,對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行全面地顯示,使界面之間能夠穩(wěn)定顯示。通過監(jiān)控界面可以對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)控制,對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié),對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行控制[4]。
2.報(bào)警信息
在供水系統(tǒng)中,需要做好報(bào)警消息的設(shè)置,一旦供水壓力發(fā)生波動(dòng),需要立即產(chǎn)生報(bào)警,對(duì)工作人員進(jìn)行提醒。在供水壓力方面,需要將其穩(wěn)定在一定范圍,當(dāng)供水壓力不在該范圍后,將會(huì)立即產(chǎn)生報(bào)警信息,使水壓?jiǎn)栴}得到及時(shí)解決。在正常工作條件下,PLC控制器可以對(duì)水壓自動(dòng)調(diào)節(jié),對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供水壓力的控制。在這種情況下,并不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息,往往在供水系統(tǒng)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信息,一方面,說明供水壓力發(fā)生較大的變化,系統(tǒng)來不及對(duì)水壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。另一方面,說明供水系統(tǒng)可能存在故障,需要對(duì)其進(jìn)行檢修。無論何種情況的報(bào)警,都需要引起足夠的重視,及時(shí)對(duì)報(bào)警問題進(jìn)行處理。
3.數(shù)據(jù)展示
供水系統(tǒng)監(jiān)控過程中,需要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行展示,方便工作人員對(duì)供水信息進(jìn)行查看,進(jìn)而對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行判斷。在供水監(jiān)控系統(tǒng)中,具有多種數(shù)據(jù)顯示形式,如報(bào)表、圖形等,使供水?dāng)?shù)據(jù)的顯示更加地直觀,實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)展示效果。通過監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打印,可由Microsoft Excel 實(shí)現(xiàn)打印,在系統(tǒng)外部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。數(shù)據(jù)打印功能可由WinCC的C 腳本進(jìn)行設(shè)計(jì),與打印按鈕進(jìn)行配合,進(jìn)而保障數(shù)據(jù)展示功能的實(shí)現(xiàn)。
結(jié)論:綜上所述,機(jī)電一體化可以提高供水系統(tǒng)的供水質(zhì)量,做好應(yīng)用工作較為必要,能夠提高對(duì)供水壓力的控制效果,保障供水的穩(wěn)定性。而且,采用機(jī)電一體化有助于電能的控制,并且可以降低水資源的消耗,是一種節(jié)能化的供水方式,進(jìn)而促進(jìn)供水公司的發(fā)展。