變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王新強(qiáng)，黃 杰，孫 皓，張亞峰

（1．中原工學(xué)院，鄭州450007；2．榮成電業(yè)局，山東 威海264300；3．中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京100088）

變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王新強(qiáng)1，黃 杰1，孫 皓2，張亞峰3

（1．中原工學(xué)院，鄭州450007；2．榮成電業(yè)局，山東 威海264300；3．中國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，北京100088）

提出了一種恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從節(jié)能角度介紹了變頻器與PLC在該恒壓供水系統(tǒng)中的控制方式以及參數(shù)設(shè)置．系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅節(jié)能、控制可靠，而且使用方便．

變頻器；PLC；恒壓供水；節(jié)能

目前，常用的生活給水設(shè)備可分為非匹配式與匹配式兩種．非匹配式給水設(shè)備的特點(diǎn)是系統(tǒng)的用水量一般要小于水泵的供水量，需要放置專(zhuān)門(mén)的蓄水設(shè)備，如水塔、高位水箱等，以便將多余的水或全部的水暫時(shí)蓄存起來(lái)．當(dāng)存水達(dá)到蓄水設(shè)備上限時(shí)，蓄水設(shè)備向用水系統(tǒng)供水，水泵停止工作；當(dāng)存水被用到蓄水器的水位下限時(shí)，水泵開(kāi)始工作，向蓄水設(shè)備供水．匹配式供水設(shè)備的特點(diǎn)是水泵的供水量隨著用水量的變化而變化，不存在多余的水量，不用設(shè)置專(zhuān)門(mén)的蓄水設(shè)備，其水泵的供水速度可以調(diào)節(jié)．

近幾年來(lái)，由于電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展以及人們節(jié)能意識(shí)的日益增強(qiáng)，變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并且開(kāi)始在工業(yè)與民用供水系統(tǒng)中應(yīng)用．由于變頻器的使用，供水系統(tǒng)可根據(jù)用水量的變化，隨時(shí)調(diào)整電機(jī)的供電頻率，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，以保證供水量隨用水量的變化而變化，從而維持供水系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定；省去了水塔和氣壓罐，既節(jié)能又節(jié)省面積［1］．

本供水系統(tǒng)采用了變頻主泵＋變頻輔泵的設(shè)計(jì)方案．此方案與其他方案相比，適用于用水量不大、供水可靠性要求不太高的場(chǎng)所，尤其適用于自備水井的企事業(yè)單位；可利用原有水泵及管網(wǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，工程量小，見(jiàn)效快，而且節(jié)能．并且兩臺(tái)泵既可由變頻器供電，也可由配電系統(tǒng)直接供電，實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)行．通過(guò)使用變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器及可編程控制器控制，整個(gè)系統(tǒng)的水壓保持在一定范圍內(nèi)［2］．

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1．1 供水系統(tǒng)的主電路原理

本系統(tǒng)主電路利用兩個(gè)小功率水泵作為供水泵，同時(shí)為了節(jié)約水資源，在排水池中利用兩個(gè)排水泵將供出的水再排回供水箱，使整個(gè)水系統(tǒng)形成一個(gè)回路．并利用變頻器、可編程控制器進(jìn)行恒壓供水控制．本系統(tǒng)的雙泵恒壓供水主電路圖如圖1所示．

1．2 變頻調(diào)速控制原理

本系統(tǒng)主要利用變頻器所具有的PID控制、可編程控制器、水壓傳感器，組成單閉環(huán)PID控制，使水壓穩(wěn)定，同時(shí)保持變頻泵在整個(gè)過(guò)程持續(xù)運(yùn)行．這里需要說(shuō)明的是，由于實(shí)驗(yàn)中所使用泵的功率較小（揚(yáng)程15 m，流量4 m3／h，功率0．55 k W），因此水壓穩(wěn)定在0．1 MPa．同時(shí)利用變頻器的24 V直流電源作為水壓傳感器的驅(qū)動(dòng)電源，傳感器的反饋信號(hào)為4～24 m A直流電流．圖2所示是在壓力罐穩(wěn)定加壓下所得出的水壓與傳感器反饋信號(hào)電流的關(guān)系曲線圖．由圖2可以看出，水壓與反饋電流呈線性等比例關(guān)系．

1．3 閉環(huán)控制接線流程

首先將變頻器的數(shù)字地與模擬地相連，即變頻器

的24G端與AIC端相連，將24 V輸出點(diǎn)接水壓傳感器的正極，再將負(fù)極接入變頻器的AV2端口（PID回授端子），組成閉環(huán)控制．此時(shí)應(yīng)注意的是將變頻器的參數(shù)P＿163選擇為0，即電壓輸入有效［3］．變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所示．

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表

接著利用變頻器的多機(jī)能輸出端子RIA、RIC（常開(kāi)）接入PLC的I1輸入，R2A、R2B（常開(kāi)）接入PLC的I2輸入，同時(shí)將PLC的Q1、Q2、Q3、Q4輸出端分別接入兩個(gè)泵的控制回路中，進(jìn)行雙泵的啟停控制［4］．控制系統(tǒng)接線圖如圖3所示．

圖3 控制系統(tǒng)接線圖

1．4 PLC主程序流程

變頻柜控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)，控制流程如圖4所示．當(dāng)系統(tǒng)用水量增大時(shí)，變頻泵頻率升高；當(dāng)頻率高于工頻50 Hz時(shí)，變頻器發(fā)出高頻信號(hào)給PLC，PLC延時(shí)2 min，給出的信號(hào)使工頻泵運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)用水量慢慢減小，頻率低于變頻器下限頻率時(shí)，變頻器發(fā)出低頻信號(hào)給PLC，PLC延時(shí)3 min，給出的信號(hào)使工頻泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)［5］．

圖4 供水裝置控制流程

2 問(wèn)題討論

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，也出現(xiàn)了不少的困難和問(wèn)題，這里將比較重要的一些問(wèn)題給予總結(jié)．

（1）變頻器的運(yùn)行控制模式．最初設(shè)為V／F速度模式．經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制很不穩(wěn)定，而整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的是水壓恒定，因此這種控制模式不適合本系統(tǒng)，最終變頻器的控制模式改為向量模式，即P＿2＝1、P＿4＝1（具體變頻器參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表1）．通過(guò)實(shí)踐證明，控制模式修改后，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果良好．

（2）水壓傳感器的24 V電源驅(qū)動(dòng)．當(dāng)直接利用了一個(gè)外接24 V直流穩(wěn)壓電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)這樣既增加了系統(tǒng)的投資，同時(shí)閉環(huán)的接點(diǎn)增多，增大了誤差與錯(cuò)誤率．而后將變頻器的的數(shù)字地與模擬地相連，即變頻器的24G端與AIC端相連，然后直接將變頻器的24 V電源作為水壓傳感器的電源驅(qū)動(dòng)，調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)誤差明顯減小．

（3）水壓傳感器的位置選取．當(dāng)選取1＃水壓傳感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于管道水阻與水壓差高的問(wèn)題，造成反饋信號(hào)電流非常低，比正常情況下要低4～6 m A，根本無(wú)法形成閉環(huán)控制．當(dāng)選取2＃水壓傳感器時(shí)，打開(kāi)變頻水泵，會(huì)發(fā)現(xiàn)反饋電流時(shí)高時(shí)低，幾秒鐘后，隨著頻率上升到25 Hz，電流才逐漸變穩(wěn)，但頻率達(dá)到工頻50 Hz時(shí)，反饋電流仍然比正常情況下偏低2～3 m A．經(jīng)查閱水泵的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)曲線發(fā)現(xiàn)，由于2＃水壓傳感器太靠近水泵，因此在低頻時(shí)水壓不穩(wěn)定，致使反饋電流時(shí)高時(shí)低；在頻率達(dá)到工頻時(shí)，靠近變頻泵的水壓仍然不穩(wěn)．為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們重新將2＃水壓傳感器移至新的位置．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，效果明顯好轉(zhuǎn)，反饋電流隨水壓呈線性變化．

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)采用的變頻供水設(shè)備不僅改善了供水水質(zhì)，穩(wěn)定了供水水壓，又大大降低了能源消耗，且自動(dòng)化程度高，充分發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能潛力．

［1］張向東，鐘媛媛，王偉．變頻器內(nèi)置PID功能在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．電站設(shè)備自動(dòng)化，2001（3）：23－24．

［2］馬良河，楊潔浩，葉建強(qiáng)．交流電機(jī)變頻調(diào)速性能試驗(yàn)系統(tǒng)的研究［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2010（1）：44－46．

［3］朗朗，陳躍東．用模糊控制和變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水［J］．電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（1）：79－82．

［4］賀玲芳．基于PLC控制的全自動(dòng)變頻恒壓供水系統(tǒng)［J］．西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（3）：243－245．

［5］陳成勇．多泵自動(dòng)循環(huán)切換恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010（1）：114－117．

The Application of the Transducer for Constant Pressure Water Supply System

WANG Xin－qiang1，HUANG Jie1，SUN Hao2，ZHANG Ya－feng3
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Rongcheng Electric Power Bureau，Weihai 264300；3．State Intellectual Property Office of The P．R．C，Beijing 100088，China）

In this paper，a constant pressure water supply is proposed．According to the demand of Energy Saving，the paper sets forth how transducer is controlled，its parameters are set up in the constant pressure water supply．The test has been verified that this system has reliable function，simple operation and energy conservation．

transducer；PLC；constant pressure water supply；energy saving

TP211＋．51

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．05．019

1671－6906（2011）05－0072－04

2011－09－16

王新強(qiáng)（1979－），男，河南新鄉(xiāng)人，講師．