近年來，伴隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，城市中的高層建筑也在不斷增加，因此人們對(duì)高層飲用水的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。傳統(tǒng)供水方式包括高位水塔供水、恒速泵供水等，其中高位水塔供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、占地面積大，容易造成水的二次污染；而恒速泵供水系統(tǒng)一般是由多個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)組成，系統(tǒng)在工作期間為適應(yīng)供水量的變化需要頻繁地起動(dòng)或停止水泵機(jī)組，這樣不僅使水泵的工作效率低下、使用壽命縮短，而且電機(jī)的頻繁啟停也會(huì)產(chǎn)生很大沖擊，從而導(dǎo)致供水設(shè)備故障率升高，可靠性降低，其結(jié)果是既增大水泵機(jī)組的功率損耗也浪費(fèi)了大量的電能。因此，利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)和裝備設(shè)計(jì)出性能好、節(jié)能性高、并且能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)已成為必然趨勢。
1、控制策略
變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制器、變頻器、壓力變送器、水泵和電機(jī)等組成，其中水泵和電機(jī)通常合并組裝在一起，由電機(jī)帶動(dòng)水泵的旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)供水。由電機(jī)工作原理可知，當(dāng)電機(jī)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子的供電頻率成正比，即只要平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)供電頻率就可以連續(xù)地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，這就是實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻調(diào)速的基本原理，因此供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速。采用這一供水系統(tǒng)時(shí)必須使用到一種裝置—變頻器，它可以把電網(wǎng)提供的恒壓恒頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)椋啊担埃龋烧{(diào)的變壓變頻交流電并輸送給水泵電機(jī)，從而改變電機(jī)的供電頻率。為此系統(tǒng)中需要設(shè)置其控制裝置，以期能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。
可編程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字運(yùn)算操作系統(tǒng)，它具有體積小，功能強(qiáng)，編程簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，如今已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及生活等各個(gè)方面。鑒于ＰＬＣ 產(chǎn)品的系列化和模塊化特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)工業(yè)要求選擇不同的具有特殊用途的擴(kuò)展模塊來參與控制。因此針對(duì)供水系統(tǒng)所存在的問題以及結(jié)合變頻器所具有的優(yōu)勢，可以將ＰＬＣ作為供水系統(tǒng)的控制核心，由ＰＬＣ時(shí)時(shí)控制變頻器的輸出頻率，以此控制水泵的轉(zhuǎn)速，使供水壓力始終保持恒定，實(shí)踐證明采用ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅可以提高供水的穩(wěn)定性和可靠性，而且具有良好的節(jié)能性，維護(hù)也很方便。這一特點(diǎn)在能源日益緊缺的今天尤為重要，因此研究并設(shè)計(jì)該系統(tǒng)對(duì)于提高生產(chǎn)效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2、學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐
如今，高層供水系統(tǒng)已越來越多地采用變頻恒壓供水方式，其應(yīng)用前景極為廣泛，因此高等院校電工理論專業(yè)可以把“基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”這一課題作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的典型案例進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。由于該系統(tǒng)是建立在ＰＬＣ技術(shù)、變頻技術(shù)和電工學(xué)等學(xué)科的綜合應(yīng)用，因此學(xué)生在設(shè)計(jì)之初需要深入學(xué)習(xí)相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)知識(shí)，例如ＰＬＣ基本結(jié)構(gòu)、接口配置、程序設(shè)計(jì)方法、電機(jī)的工作原理、變頻器的參數(shù)設(shè)置等等內(nèi)容。
變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)質(zhì)上是為了滿足用戶對(duì)供水量的需求，即供水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)瞬間的壓力變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)以控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)和轉(zhuǎn)速，改變水泵的出水量，使系統(tǒng)水壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。學(xué)生在明確以上設(shè)計(jì)要求后應(yīng)首先了解這一系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，充分理解實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)任務(wù)所產(chǎn)生的社會(huì)意義，接下來需要詳細(xì)分析供水系統(tǒng)的工作原理、特性以及結(jié)構(gòu)組成，在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的硬件配置，包括ＰＬＣ和變頻器等設(shè)備的選型和參數(shù)設(shè)置，組建系統(tǒng)主電路及控制電路圖，編寫ＰＬＣ控制程序，分析采用ＰＩＤ調(diào)節(jié)原理在實(shí)現(xiàn)恒壓供水中的作用和運(yùn)行效果，zui后得出結(jié)論。
以ＰＬＣ為主控器的變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后，安裝在水泵出水管處的壓力變送器會(huì)將采集到的出口壓力值轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)送入ＰＬＣ中并與系統(tǒng)壓力設(shè)定值進(jìn)行比較得出偏差值，再由ＰＬＣ中的ＰＩＤ模塊進(jìn)行運(yùn)算后得出調(diào)節(jié)參量送至變頻器中，以此控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)1號(hào)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當(dāng)管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，供水量與用水量平衡，水泵工作在變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量增大而導(dǎo)致管網(wǎng)壓力降低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速；反之，當(dāng)用水量減少而管網(wǎng)壓力增加時(shí)，系統(tǒng)會(huì)減小水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)用水量繼續(xù)增加導(dǎo)致變頻器的輸出頻率達(dá)到上限５０Ｈｚ而管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)此時(shí)會(huì)將1號(hào)水泵切換至工頻狀態(tài)，同時(shí)將變頻器切換至2號(hào)水泵，使之變頻啟動(dòng)運(yùn)行，因此每當(dāng)水泵達(dá)到zui大轉(zhuǎn)速時(shí)，系統(tǒng)都將實(shí)施上述切換并將有新的水泵投入運(yùn)行；當(dāng)用水量下降時(shí)變頻泵將降低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)按先開先停的順序逐臺(tái)關(guān)閉工頻泵直到下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行；當(dāng)夜間用水量很小且只有一臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉主泵、啟動(dòng)附屬泵來保持管網(wǎng)壓力。

圖1變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐過程使學(xué)生從以下幾個(gè)方面得到提高 ：
（１）了解變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及工作流程，掌握系統(tǒng)中主要設(shè)備的使用方法。
（２）掌握ＰＩＤ控制原理、算法和ＰＩＤ功能的實(shí)現(xiàn)以及ＰＬＣ在恒壓供水系統(tǒng)中對(duì)模擬量的處理過程。
（３）合理選用ＰＬＣ 型號(hào)，選擇適合系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ端口配置，熟悉變頻器的性能特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)，能夠根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇參數(shù)設(shè)置與調(diào)試方法；在確定系統(tǒng)控制方案后，根據(jù)系統(tǒng)的供水需求選擇合理的水泵電機(jī)容量型號(hào)和參數(shù)設(shè)置。
（４）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計(jì)出變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成，準(zhǔn)確地完成主電路和控制電路的連線，完整地分析系統(tǒng)控制流程，并參照流程圖編寫ＰＬＣ軟件程序。
（５）學(xué)生還要對(duì)自主設(shè)計(jì)的控制程序進(jìn)行硬件和軟件的反復(fù)測試并進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，以期達(dá)到*控制效果，zui后還要對(duì)系統(tǒng)調(diào)試以及運(yùn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和總結(jié)，得出結(jié)論。
以往電工類的專業(yè)基礎(chǔ)課程通常采取每一門理論課程單獨(dú)進(jìn)行講授和學(xué)習(xí)，因此基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間的知識(shí)銜接性不夠，造成學(xué)生所學(xué)知識(shí)有限，專業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)不夠健全，以致學(xué)生在到實(shí)踐應(yīng)用時(shí)無從下手。通過對(duì)以上課題的理論分析與實(shí)踐操作，可以使學(xué)生將基礎(chǔ)理論知識(shí)與專業(yè)課程知識(shí)真正地融會(huì)貫通并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，提高了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和綜合應(yīng)用能力，真正做到工學(xué)結(jié)合、學(xué)有所用的目的，實(shí)現(xiàn)了學(xué)校與企業(yè)的對(duì)接。
目前，變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正朝著可靠性高、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。未來高智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的供水設(shè)備必將更加適應(yīng)城鎮(zhèn)化建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度、智能樓宇的需求。為了適應(yīng)這一要求，作為系統(tǒng)主控單元的ＰＬＣ產(chǎn)品可以采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通信協(xié)議與其他設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)靈活的集中分散式控制系統(tǒng)；此外，隨著觸摸屏技術(shù)的發(fā)展和普及，將觸摸屏與ＰＬＣ結(jié)合起來，利用功能強(qiáng)、可視性佳、操作簡便的組態(tài)軟件系統(tǒng)，再配合Ｗｉｎｄｏｗｓ軟件平臺(tái)形成功能強(qiáng)大的控制管理系統(tǒng)，可以完成例如系統(tǒng)參數(shù)配置、監(jiān)控水泵運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)故障等任務(wù)，同時(shí)還能簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，這樣可以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
如今，國內(nèi)外對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的研究，對(duì)于能否適應(yīng)不同的用水場合以及對(duì)供水期間電磁兼容性（ＥＭＣ）的分析與研究還不夠完善，因此，有待于今后研究人員進(jìn)一步探討和改善供水系統(tǒng)的工作性能，以便能被更好地適用于生產(chǎn)、生活實(shí)踐中。
變頻恒壓供水系統(tǒng)是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用并取得了良好的節(jié)能效果。通過對(duì)基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的深入研究與實(shí)踐，使學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中加深了對(duì)ＰＬＣ技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的理解，學(xué)生在實(shí)踐技能及創(chuàng)新能力方面得到很大的提高，也為學(xué)生今后從事相關(guān)工作提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)。