近年來，伴隨著城市化建設的不斷發(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)復雜、造價高、占地面積大，容易造成水的二次污染；而恒速泵供水系統(tǒng)一般是由多個水泵電動機組成，系統(tǒng)在工作期間為適應供水量的變化需要頻繁地起動或停止水泵機組，這樣不僅使水泵的工作效率低下、使用壽命縮短，而且電機的頻繁啟停也會產(chǎn)生很大沖擊，從而導致供水設備故障率升高，可靠性降低，其結(jié)果是既增大水泵機組的功率損耗也浪費了大量的電能。因此，利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)和裝備設計出性能好、節(jié)能性高、并且能適應不同領(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、水泵和電機等組成，其中水泵和電機通常合并組裝在一起，由電機帶動水泵的旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)供水。由電機工作原理可知，當電機極對數(shù)不變時，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)電機供電頻率就可以連續(xù)地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，這就是實現(xiàn)電機變頻調(diào)速的基本原理，因此供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)就是實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速。采用這一供水系統(tǒng)時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，從而改變電機的供電頻率。為此系統(tǒng)中需要設置其控制裝置，以期能夠準確、及時地控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)對水泵電機的轉(zhuǎn)速控制。
可編程控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ）是專為在工業(yè)環(huán)境下應用的數(shù)字運算操作系統(tǒng)，它具有體積小，功能強，編程簡單，可靠性高等優(yōu)點，如今已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及生活等各個方面。鑒于ＰＬＣ 產(chǎn)品的系列化和模塊化特點，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展模塊來參與控制。因此針對供水系統(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時時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，維護也很方便。這一特點在能源日益緊缺的今天尤為重要，因此研究并設計該系統(tǒng)對于提高生產(chǎn)效率和人民生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。
2、學生在畢業(yè)設計中的實踐
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)的設計”這一課題作為學生畢業(yè)設計的典型案例進行了解和學習。由于該系統(tǒng)是建立在ＰＬＣ技術(shù)、變頻技術(shù)和電工學等學科的綜合應用，因此學生在設計之初需要深入學習相關(guān)課程的理論基礎知識，例如ＰＬＣ基本結(jié)構(gòu)、接口配置、程序設計方法、電機的工作原理、變頻器的參數(shù)設置等等內(nèi)容。
變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計目標實質(zhì)上是為了滿足用戶對供水量的需求，即供水系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)瞬間的壓力變化自動調(diào)整運行參數(shù)以控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)水泵電機的運行臺數(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)，實現(xiàn)恒壓供水。學生在明確以上設計要求后應首先了解這一系統(tǒng)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，充分理解實現(xiàn)該設計任務所產(chǎn)生的社會意義，接下來需要詳細分析供水系統(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和變頻器等設備的選型和參數(shù)設置，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)原理在實現(xiàn)恒壓供水中的作用和運行效果，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)啟動后，安裝在水泵出水管處的壓力變送器會將采集到的出口壓力值轉(zhuǎn)換為４～２０ｍＡ的標準電信號送入ＰＬＣ中并與系統(tǒng)壓力設定值進行比較得出偏差值，再由ＰＬＣ中的ＰＩＤ模塊進行運算后得出調(diào)節(jié)參量送至變頻器中，以此控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)對1號水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，當管網(wǎng)壓力達到設定值時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，供水量與用水量平衡，水泵工作在變頻運行狀態(tài)。當用水量增大而導致管網(wǎng)壓力降低時，系統(tǒng)會通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)以增大電機轉(zhuǎn)速；反之，當用水量減少而管網(wǎng)壓力增加時，系統(tǒng)會減小水泵的轉(zhuǎn)速。當用水量繼續(xù)增加導致變頻器的輸出頻率達到上限５０Ｈｚ而管網(wǎng)壓力仍未達到設定值時，系統(tǒng)此時會將1號水泵切換至工頻狀態(tài)，同時將變頻器切換至2號水泵，使之變頻啟動運行，因此每當水泵達到zui大轉(zhuǎn)速時，系統(tǒng)都將實施上述切換并將有新的水泵投入運行；當用水量下降時變頻泵將降低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)按先開先停的順序逐臺關(guān)閉工頻泵直到下一臺變頻泵運行；當夜間用水量很小且只有一臺變頻泵運行時，系統(tǒng)將關(guān)閉主泵、啟動附屬泵來保持管網(wǎng)壓力。

圖1變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
通過對變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計實踐過程使學生從以下幾個方面得到提高 ：
（１）了解變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點以及工作流程，掌握系統(tǒng)中主要設備的使用方法。
（２）掌握ＰＩＤ控制原理、算法和ＰＩＤ功能的實現(xiàn)以及ＰＬＣ在恒壓供水系統(tǒng)中對模擬量的處理過程。
（３）合理選用ＰＬＣ 型號，選擇適合系統(tǒng)的Ｉ／Ｏ端口配置，熟悉變頻器的性能特點及技術(shù)指標，能夠根據(jù)系統(tǒng)設計要求選擇參數(shù)設置與調(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容量型號和參數(shù)設置。
（４）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設計出變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件組成，準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）學生還要對自主設計的控制程序進行硬件和軟件的反復測試并進行系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整，以期達到*控制效果，zui后還要對系統(tǒng)調(diào)試以及運行結(jié)構(gòu)進行分析和總結(jié)，得出結(jié)論。
以往電工類的專業(yè)基礎課程通常采取每一門理論課程單獨進行講授和學習，因此基礎課與專業(yè)課之間的知識銜接性不夠，造成學生所學知識有限，專業(yè)知識結(jié)構(gòu)不夠健全，以致學生在到實踐應用時無從下手。通過對以上課題的理論分析與實踐操作，可以使學生將基礎理論知識與專業(yè)課程知識真正地融會貫通并應用到實際生產(chǎn)中，提高了學生對基礎理論知識的理解和綜合應用能力，真正做到工學結(jié)合、學有所用的目的，實現(xiàn)了學校與企業(yè)的對接。
目前，變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計正朝著可靠性高、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。未來高智能化、系列化、標準化的供水設備必將更加適應城鎮(zhèn)化建設、網(wǎng)絡供水調(diào)度、智能樓宇的需求。為了適應這一要求，作為系統(tǒng)主控單元的ＰＬＣ產(chǎn)品可以采用的網(wǎng)絡系統(tǒng)和通信協(xié)議與其他設備進行組網(wǎng)連接，實現(xiàn)高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交換，從而實現(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、可視性佳、操作簡便的組態(tài)軟件系統(tǒng)，再配合Ｗｉｎｄｏｗｓ軟件平臺形成功能強大的控制管理系統(tǒng)，可以完成例如系統(tǒng)參數(shù)配置、監(jiān)控水泵運行狀態(tài)，實時檢測系統(tǒng)故障等任務，同時還能簡化系統(tǒng)設計過程、縮短設計周期、提高系統(tǒng)的設計效率，這樣可以真正實現(xiàn)對供水系統(tǒng)的實時遠程監(jiān)控。
如今，國內(nèi)外對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的研究，對于能否適應不同的用水場合以及對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)、生活實踐中。
變頻恒壓供水系統(tǒng)是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的應用并取得了良好的節(jié)能效果。通過對基于ＰＬＣ控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的深入研究與實踐，使學生在畢業(yè)設計過程中加深了對ＰＬＣ技術(shù)及變頻調(diào)速技術(shù)的理解，學生在實踐技能及創(chuàng)新能力方面得到很大的提高，也為學生今后從事相關(guān)工作提供了豐富的經(jīng)驗。