基于PLC恒压供⽔系统的发展现状【⽂献综述】
⽂献综述电⽓⼯程及⾃动化
基于PLC恒压供⽔系统的发展现状
摘要:利⽤PLC和变频调速技术能更有效的实现变频调速。现今，采⽤最多的供⽔⽅式便是PLC 与变频器控制的恒压供⽔系统。变频恒压供⽔是通过改变⽔泵电机的供电频率，调节⽔泵转速，控制实际供⽔压⼒与设定压⼒⼀致，保证在⽤⽔量变化时供⽔量也随之变化，实现供⽔量与⽤⽔量的匹配，利⽤⽔泵节能，能有效的利⽤能源，节约资源。关键词：PLC；变频器；恒压供⽔系统；PID1前⾔
⽔是⽣产⽣活中不可缺少的重要组成部分, 在节⽔节能已成为时代特征的现实条件下,我们这个⽔资源和电能短缺的国家,长期以来在市政供⽔、⾼层建筑供⽔、⼯业⽣产循环供⽔等⽅⾯技术⼀直⽐较落后,⾃动化程度低。饮⽔⼯程对于每个⼈来说都是⾮常要的,然⽽,作为饮⽔⼯程中最重要的供⽔这⼀环⽬前却存在着很多问题,传统供⽔⽅式⼰经不能满⾜当前社会的发展和需求。要解决⽣产过程中能耗⾼的问题,除其它相关的技术问题需要改进外,变频调速技术已成为节能及提⾼产品质量的有效措施,其重要性⽇益得到了国家的重视,在国内推⼴变调速技术有着⾮常重⼤的现实意义和巨⼤的经济价值及社会价值[1]。2 相关技术概况2.1 PLC技术概况
可编程控制器（PLC）是以微处理器为核⼼的⼯业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在⼀起，具有可靠性⾼、灵活通⽤、易于编程、使⽤⽅便等特点，近年来在⼯业⾃动控制、机电⼀体化、改造传统产业等⽅⾯得到普通应⽤，越来越多的⼯⼚设备采⽤PLC、变频器、⼈机界⾯等⾃动化器件来控制，使设备⾃动化程度越来越⾼[2]。2.2 变频调速技术概况
变频恒压供⽔系统的供⽔部分主要由⽔泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由⿏笼式异步电动机驱动⽔泵旋转来供⽔，并且把电机和⽔泵做成⼀体，通过变频器调节异步电机的转速，从⽽改变⽔泵的出⽔流量⽽实现恒压供⽔的。异步电动机的变频调速是通过改变定⼦供电频率来改变同步转速⽽实现调速的。异步电机的转差率定义为:11n S n ??=- (2⼀1)
异步电机的同步速度为:160f n p
= (2⼀2) 异步电机的转速为: ()601f s n p-= (2⼀3) 其中:n1为异步电机的理想空载转速;n 为异步电机转⼦转速;f 是异步电机的定⼦电源频率;p 为异步电机的极对数。:
从上式可知，当极对数p 不变时，电机转⼦转速n 与定⼦电源频率f 成正⽐，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从⽽调节其转⼦的转速。
变频调速时，从⾼速到低速都可以保持有限的转差率，因⽽变频调速具有⾼效率、⾼精度、调速范围⼴、平滑性较⾼、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机⼀种⽐较合理和理想的调速⽅法，它被⼴泛地应⽤于对⽔泵电机的调速[3]。2.3 泵类节能技术概况
⽔泵节能技术在我国已应⽤多年，其途径有两类，⼀是改进⽔泵结构，这是⽔泵⽣产⼚要研究的，⽬前我国的⽔泵制造技术在
国际上不算落后，⼤型⽔泵、低噪声的效率和功耗有的可以和进⼝⽔泵相抗衡。⼆是提⾼控制⽔平，这是使⽤单位经常应⽤的，最早的控制⽅法就是通过关闭阀门、降低输出来减少功耗，后来，也就是在80年代末，我国引进了“变频器”控制技术，此时⽔泵节电技术得到突破性进展，到90年代末，“⽔泵节电器”控制技术像⾬后春笋遍布神州⼤地。
⽔泵的HQ 曲线如图1。在⽔泵的⼯作过程中，只有在等于原设计⼯况点A 时，效率才会最⾼。偏离这个⼯况(点B 、C 两点间)效率就会降低，⽔泵在⾼效区运⾏，其耗能也会最省[4]。
图1 离⼼⽔泵的H ⼀Q 曲线离⼼式⽔泵的特性公式如下:102QHk P η
= (2⼀4) 式中:P ⼀—⽔泵的功耗(kw)Q —使⽤⼯况点的⽔泵流量(mH —使⽤⼯况点的扬程(m)k ⼀输出介质常数(kg/m3)η—使⽤⼯况点的泵效率(%)
按照供⽔系统的实际流量2Q 和扬程2H 及与之相应的⽔泵使⽤效率2η，⽔泵实际所需的⽐较经济合理的功耗1P 为：2212
102Q H k P η= (2⼀5) 整个供⽔系统所具有的节能潜⼒为:1()E P P t ?=- (2⼀6)
式中：P —供⽔系统⽔泵消耗的功率(kw)t ⼀刊丈泵年运⾏时间(⼩时/年) [5]3 变频恒压供⽔系统的理论概况
PLC ⾸先利⽤变频器软启动⼀台加压泵，此时安装在管⽹上的传感器将实测的管⽹压⼒反馈给变频器，与预先通过变频器⾯板设定的给定压⼒值进⾏⽐较，通过变频器内部PID 运算，调节变频器输出频率。具体地说，在某⼀压⼒下，当⽤⽔量增⼤时，管路压⼒下降，产⽣偏差，该信号被送⼊控制器进⾏处理，控制器产⽣⼀定的电信号控制变频器升频，⽔泵转速升⾼，供⽔增加，压⼒恢
复。反之，⽤⽔量减少时，⼯作机理同上所述。由于整个过程压⼒偏差较⼩，调节时间较短，系统表现为恒压。实际上，这是⼀个动态调整过程。
图⼆控制系统图
在⽤⽔量较⼤时，变频器输出频率接近⼯频，⽽管⽹压⼒仍达不到压⼒设定值，PLC 将当前⼯作的变频泵由变频切换到⼯频下⼯作，并关断变频器，再将变频器切换到另⼀台泵，由变频器软启动该泵，实现⼀台⼯频⼀台变频双泵供⽔。随着⽤⽔量减少，变频器输出频率下降，当降⾄频率下限，⽽压⼒仍能达到压⼒设定值时，PLC 将⼯频⼯作泵切除，只由剩下的单泵变频供⽔。系统⽆论单泵变频⼯作，还是双泵⼀台⼯频⼀台变频⼯作，始终控制管⽹压⼒与给定压⼒值保持⼀致，实现恒压供⽔。[6]4 变频恒压供⽔的控制概况4.1变频恒压供⽔的模糊控制概况
智能控制之⼀的模糊控制，是在1965年美国LA.Zadeh教授提出的模糊集合理论的基础上发展起来的。LA.Zadeh教授所提出的模糊集合理论应⽤最具有吸引⼒、最富有成果的领域⼚[7]，它是以控制论、模糊集合理论、模糊语⾔变量及模糊逻辑推理为基础的⼀种⾮线性计算机控制⽅法，从属于智能控制的范畴。它在设计中不需要建⽴被控对象精确的数学模型，控制器设计简单、适应能⼒强。模糊控制具有以下⼏个突出的优点[8][9]
1、模糊控制是⼀种基于规则的控制，它直接采⽤语⾔型控制规则，规则选取的依据是现场操作⼈员的控制经验或相关专家的知识，在设计过程中不需要建⽴被控对象的精确数学模型，因⽽使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应⽤。2、模糊控制系统的鲁棒性强，⼲扰和参数变化对控制效果的影响被⼤⼤减弱，尤其适合于⾮线性、时变及纯滞后系统的控制。
3、以语⾔变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的知识。
4、基于模型的控制算法及系统设计⽅法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较⼤差异;但⼀个系统的语⾔控制规则却具有相对的独⽴性，利⽤这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。5、模糊推理采⽤“不精确推理”(即proximate reasoning)。模糊控制的实现可以概括为以下四个步骤[10]:l、采样得到系统的输⼊变量的精确值。2、将输⼊变量的精确值变为模糊值。
3、根据输⼊变量(模糊量)及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算模糊控制量。4、由上述得到的模糊控制量计算精确的控制量。在模糊逻辑控制系统中，模糊变量常⽤N(Negative)，p(positive)，B(Big)，S(Small)，O(Zero)等及其组合形式来表⽰。4.2变频恒压供⽔的PID控制概况
在⽣产过程⾃动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、⽣命⼒最强的基本控制⽅式。PID控制具有很多优点[11] - [13]:原理简单，使⽤⽅便;适应性强，可以⼴泛地应⽤于各种⾏业;鲁棒性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不⼤敏感。由于具有这些优点，PID控制直到现在仍然是应⽤最⼴泛的基本控制⽅式之⼀。
根据系统设计任务要求，选⽤通⽤变频器+PLC(包括⾃调整模糊PID调节器的控制⽅式，.常规的PID控制器由于采⽤固定的参数，难以保证系统在任何⼯况条件下始终具有最佳的控制性能。采⽤模糊PID复合控制可以改善控制的静态性能，提⾼控制精度。模糊PID控制是在⼤误差范围内采⽤模糊控制，以提⾼动态响应速度;在⼩误差范围内采⽤PID控制，引⼊积分控制作⽤以消除静态误差，提⾼控制精度。这种⽅式控制精度⾼、控制算法灵活、参数调整⽅便，具有较⾼的性价⽐。5 变频恒压供⽔系统的发展趋势
现有的变频恒压供⽔系统实现了供⽔系统的⼯况控制、调节和设备状态监控功能，将来还可以通过对更多现场数据的采集与传输，如电压、电流、功率、⽔压、⽔位、⽔流量等，通过开发上位机的数据管理系统，实现具有综合功能的供⽔⾃动化控制与管理系统，提⾼管理能⼒。参考⽂献
[1] 魏景⽥.基于变频调速的恒压供⽔系统[J].⼯业技术，2008,1：48-49.
[2] 祁增慧，. 基于PLC控制的城市恒压供⽔系统[D].天津⼤学⾃动化学院.2008.5.[3] 朱⽟堂，许⼒.变频恒压供⽔系统的研究开发及应⽤[D].浙江⼤学硕⼠学位论⽂.2005,5.[4] 龚育林.恒压供⽔变频控制系统[J].新余⾼专学报,2005，10(5):55-58.
[5] 蔡滨，吴禄慎.基于PLC双闭环控制泵类节能系统的研究[D].南昌⼤学硕⼠学位论⽂.2009，12.[6] 周⾦萍. PLC 控制变频调速恒压供⽔系统[J].上海：⾃动化博览，2003.9:48-54[7]孙增折，智能控制理论与技术[M]，清华⼤学出版社.1997.
[8]C.Elkan H.r.berenji ate The Paradoxical success of fuzzy logia[J].IEEE Expert，1994，9(4):3-49.
