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；PID
1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:
                      (2一1)
异步电机的同步速度为:
                        (2一2)
异步电机的转速为:
                    (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:
                          (2一4)
式中:P一—水泵的功耗(kw)
变频器恒压供水Q—使用工况点的水泵流量(m
H—使用工况点的扬程(m)
k一输出介质常数(kg/m3)
—使用工况点的泵效率(%)
按照供水系统的实际流量和扬程及与之相应的水泵使用效率，水泵实际所需的比较经济合理的功耗为：
                      (2一5)
整个供水系统所具有的节能潜力为:
                      (2一6)
式中：—供水系统水泵消耗的功率(kw)
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。