自動化水泵供水控制系統(tǒng)研究

吳昱 任繼

摘要：近十?dāng)?shù)年，自動化技術(shù)蓬勃發(fā)展，在各個領(lǐng)域大放異彩，不僅僅是我們所熟知的機械領(lǐng)域，電力領(lǐng)域也在不斷普及自動化技術(shù)。水泵供水系統(tǒng)中，加入自動化技術(shù)可以在很大程度上解放勞動力，十分具有研究意義，本文將針對自動化水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：水泵；自動化；系統(tǒng)

水資源一直是人類生活必不可少的資源，無論是日常生活，亦或是社會生產(chǎn)，都不能離開它，水泵是輸送水的重要下具，若提高輸送水的效率，能提升人們?nèi)粘Ｉ钯|(zhì)量，可以滿足生產(chǎn)中對水資源的需求，因此，水泵的自動化就顯得尤為重要，傳統(tǒng)的水泵控制系統(tǒng)具有使用周期短，能耗高，電壓不穩(wěn)等缺點，如果長時間運轉(zhuǎn)，設(shè)備的損耗會加劇，功率受影響極大。目前的水泵自動化供水系統(tǒng)不再使用額定頻率控制，而是將可編程邏輯控制器與中控系統(tǒng)，外加變頻器進(jìn)行模塊化，組合成一個高度自動化的系統(tǒng)，可以使員廠操作起來更加簡便，也對操作人員的安全提供了保障，降低了成本。變頻器的優(yōu)勢在于它可根據(jù)需求改變頻率，效率提高的同時，降低了能耗，大大的提高了產(chǎn)能。

一、關(guān)于水泵的自動控制

水泵的自動化控制包括了輸送水流的周期，地下水源的實時水位，單位時間內(nèi)水的流量，還包括用戶使用時的電耗能控制，某一參數(shù)達(dá)到規(guī)定值或某一水泵啟、停或開、關(guān)時，聯(lián)動或閉鎖對其他設(shè)備的控制，使用伺服機構(gòu)的液壓泵對機器的位置或速度進(jìn)行控制，水泵下作時對體積流量、質(zhì)量流量、揚程，轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制，對輸入電壓的峰值分析控制等，計算機能夠?qū)λ眠M(jìn)行遠(yuǎn)程控制，完成一系列作業(yè)，并由室內(nèi)的控制室采集數(shù)據(jù)發(fā)送回水泵系統(tǒng)讓其自動更改操作命令。

為了保證最大化的實現(xiàn)水泵系統(tǒng)自動完成各種操作，水泵的系統(tǒng)在程序編寫之初就要考慮到后期的升級問題，為了能夠讓用戶自己根據(jù)作業(yè)要求改變操作順序，應(yīng)在系統(tǒng)中加入擴(kuò)展模塊。在安全方面機器故障報警程序也必不可少，為了降低故障率和損壞率，水泵系統(tǒng)應(yīng)能在機器過熱，轉(zhuǎn)軸停止運轉(zhuǎn)，水流停止輸出的時候第一時間發(fā)出故障警告，并第一時間檢查故障和維修，避免機器的損壞。

如同熱水壺一樣，一些蓄水池有著貯水的上限和下限，自動控制系統(tǒng)會對水位實時監(jiān)控，采集水位數(shù)據(jù)，在水將滿時配置多個水泵下作，水不足時配置減少水泵下作，避免企業(yè)用水時出現(xiàn)水流不足或水壓太大的情況。水泵下作期間，水面的位置，單位時間水流的流量，電機的下作電壓、工作電流，水流對閥門的壓力，泵機廠作時的溫度，以及閥門上拉的程度等數(shù)據(jù)，都需要采集，采集后傳輸給系統(tǒng)進(jìn)行分析，以保證機器工作在一個安全的環(huán)境下。

二、自動化供水原理

供水系統(tǒng)主要依靠可編程邏輯控制器、變頻器等設(shè)備來操作水泵運行，配水管網(wǎng)的壓力變化時，系統(tǒng)可對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，在水壓過高或過低時穩(wěn)定水壓來減少能耗。測壓原件傳感器感受到壓力時會將物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬏數(shù)奖壤?積分-微分控制器（PID控制器）中，PID控制器計算出這些壓力值后會對機器運行周期進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變機器當(dāng)前的運轉(zhuǎn)速度。PID控制器控制的是標(biāo)準(zhǔn)壓力和水管壓力的差值，這個差值不等于零時，PID控制器在可編程邏輯控制器中會計算這個差值，依據(jù)程序中的規(guī)律控制PID控制器輸出的值，根據(jù)這個輸出的值改變變頻器的周期，以此來改變水管壓力。當(dāng)這個差值為零時，PID控制器的輸出會產(chǎn)生變化，保證水泵在新的電機轉(zhuǎn)動速度下保持平衡。PID控制器在系統(tǒng)中起到的作用時減少誤差并縮短系統(tǒng)運行周期。為降低電機在轉(zhuǎn)換的時間差內(nèi)電流的波動，變電時的變頻器頻率必須達(dá)到五十赫茲，而這時如若輸水不能滿足要求，泵機可切換至額定頻率下下作。

為防止自動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時機器宕機，在沒備上會安裝物理按鈕和操作儀，技術(shù)人員可手動控制機器的運轉(zhuǎn)。也可對機器進(jìn)行故障排查和檢修。

為配合國家節(jié)能減排的號召，水泵自動化供水系統(tǒng)使用變頻器來改變水泵的工作方式，能夠節(jié)約經(jīng)濟(jì)，降低能耗，智能性高，工作效率高。整個系統(tǒng)被設(shè)計成模塊化，最主要的部分是可編程邏輯控制器部分，涵蓋了轉(zhuǎn)換壓力為電動信號的測壓元件傳感器，智能PID控制器調(diào)節(jié)儀等元件。測壓元件傳感器和PID控制器將模擬量輸出信號和開關(guān)量輸出信號傳遞給設(shè)備，由可編程邏輯控制器自行決定泵機的運行時間。運行時間短的優(yōu)先開啟，以避免自動供水系統(tǒng)程序瀆取時間超時時部分泵機不工作。泵機將數(shù)據(jù)反饋給可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器對水流，機器運行時間進(jìn)行計算，實現(xiàn)系統(tǒng)對水泵的控制以及執(zhí)行程序命令。其采集的數(shù)據(jù)在顯示屏上顯示出來，方便技術(shù)工人了解機器運行情況。

中控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，顯示屏上的數(shù)據(jù)就是中控系統(tǒng)輸出的，中控系統(tǒng)可自行完成水泵的啟動和關(guān)閉，還可以通過執(zhí)行程序更改變頻器的頻率和水流對閥門的壓力，與其他自動化系統(tǒng)不同的是，中控系統(tǒng)可以將遠(yuǎn)程采集的數(shù)據(jù)聚集在一起和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)做對比，根據(jù)差值改變程序的執(zhí)行路徑，提高效率。中控系統(tǒng)會將錯誤信息顯示在顯示屏上，方便后期技術(shù)人員排查和維修。

水泵自動化供水系統(tǒng)選擇的是SIEMENS的可編程邏輯控制器，以四路模擬量輸入和一路模擬量輸出這一模塊輸出信號。水泵工作時，水流對軸的力越大，轉(zhuǎn)速越快，而水流對軸的力小的時候，轉(zhuǎn)速就慢。處理這一情況應(yīng)采用SIEMENS的MICROMASTER440變頻器，變頻速度快，穩(wěn)定性強。這種系統(tǒng)一般都會有一個壓力傳感器來記錄壓力值。如果把它當(dāng)作一個電子元器件來看，壓力變化也會導(dǎo)致它的阻值變化。供水系統(tǒng)主要的模塊是控制和警報模塊，警報模塊在變頻器短路和負(fù)載過重的時候會對水泵進(jìn)行斷電處理并報警。系統(tǒng)的預(yù)備參數(shù)都寫在初始化里，在出廠的時候已經(jīng)存在變頻器的峰值和水壓力峰值。PID控制器依據(jù)初始標(biāo)準(zhǔn)值對實際誤差進(jìn)行計算，把控制系統(tǒng)輸出量部分反饋給起始端，對新信號與初始信號比較，再將比較結(jié)果輸送給系統(tǒng)進(jìn)行控制，保持系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。

水泵供水自動化技術(shù)運行穩(wěn)定，可節(jié)約生產(chǎn)成本，能耗低，應(yīng)用價值可觀，將會在我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，不斷的進(jìn)行技術(shù)革新。通過研究水泵供水自動化技術(shù)的具體原理以及實際應(yīng)用，可見的是，它會在供水企業(yè)和居民的生活中起到提高效率與質(zhì)量水平的作用，有效減少資源浪費和企業(yè)生產(chǎn)開支，其可變頻性提供了數(shù)據(jù)調(diào)整的功能，對于不同的用戶滿足不同的需求。

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