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plc控制供水系統在小區高層建筑中的設計應用

      隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。

      plc控制供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控，同時系統具有良好的節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。

1.1plc控制供水系統產生的背景和意義

      眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節水節能已成為時代特征的現實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術出現以前，出現過許多供水方式，以下就逐一分析。

1．一臺恒速泵直接供水系統

      這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網中抽水，嚴重影響城市公用管網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。

2．恒速泵加水塔的供水方式

      這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區。這種方式顯然比前一種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開停時間比、開停頻率等有關。供水壓力比較穩定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統水塔的水位監控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。

3．恒速泵加高位水箱的供水方式

      這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開、停，將完全由人操作，使系統的供水質量下降能耗增加。

4．恒速泵加氣壓罐供水方式

      這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監測罐內壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點，在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者做一比較。

5．變頻調速供水方式

      這種系統的原理是通過安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內。變頻調速水泵調速控制方式有三種：

水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統最不利點恒壓控制。

(1) 出口恒壓控制

      水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統在運行過程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小，整個給水系統的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區中應用時，由于管路能耗較大，在低峰用水時，最不利點的流出水頭高于設計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節能效果。

(2) 出口變壓控制

      水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設定值不只是一個。是將每日24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節能，但這取決于將全天24小時分成的時段數及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節能，將全天分得越細越節能，當然控制的實現也越復雜。

(3) 最不利點恒壓控制

      最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統最不利點處，使系統在運行過程中保持最不利點的壓力恒定。這種方式的節能效果是最佳的，但由于最不利點一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。

      變頻調速的方式在節能效果上明顯優于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作。當系統所需水量下降時，供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統用水量下降時可無級調節水泵轉速，使供水壓力與系統所需水壓大致相等，這樣就節省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調速式中的調速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積。在運行效果上，氣壓罐方式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩定，突出表現在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調節容量僅占其總容積的1/3-1/6，因而每個罐的調節能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊。在小區供水中，而且由于調速式是經水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可靠。

      由此可見，plc控制供水系統具有節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。

      長沙中贏供水設備有限公司新推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環方式”兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。

      目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現;有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出子恒壓供水專用變頻器(5.5kw-22kw) ，無需外接PLC和PID調節器，可完成最多4臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。

      可以看出，目前在國內外plc控制供水系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制研究還在時一步加深。因此，有待于進一步研究改善plc控制供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產實踐。