變頻器在基于PLC的城市恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

摘要：介紹了變頻器在一種替代水塔供水的基于PLC的城市恒壓供水系統(tǒng)的工作原理。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速或加、減泵的個(gè)數(shù)。自動(dòng)完成泵組軟起動(dòng)及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡。有效地解決了以往供水系統(tǒng)控制負(fù)荷波動(dòng)大，調(diào)節(jié)頻繁的難題。并配備相應(yīng)的保護(hù)設(shè)施，當(dāng)出現(xiàn)火警時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)消防壓力。采用鐘控功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。

關(guān)鍵詞：PLC（可編程序控制器） 變頻器 恒壓供水

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的日益提高，無論工廠的工業(yè)用水還是居民的生活用水，都對(duì)城市的供水系統(tǒng)提出了更高的要求。工廠為了生產(chǎn)的穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量的提高，在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)缺水時(shí)，會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞；又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；等等這些都對(duì)城市的供水系統(tǒng)提出了新的要求。

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備已成為可能。選用PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)都能達(dá)到較好的控制效果。同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件接口簡(jiǎn)易可行、可靠性高，整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比非常高。

1 變頻調(diào)速節(jié)能原理研究

水管壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性，如圖1所示。圖1中，Pg為水管給定壓力，當(dāng)供水系統(tǒng)的流量由給定流量QA減少為QB時(shí)，若水泵以恒速nA運(yùn)轉(zhuǎn)，則水管壓力相應(yīng)變?yōu)镻B′，即PB′-PB″為多余壓力。自動(dòng)變頗調(diào)速后，轉(zhuǎn)速則降為nB，水管壓力穩(wěn)定在Pg，而多余壓力減少為Pg-PB″。

當(dāng)流量減少使轉(zhuǎn)速下降時(shí)，軸功率降低很多。例如：當(dāng)流量減少，轉(zhuǎn)速降到90%，頻率由50Hz降到45Hz，則軸功率將下降到72.9%;轉(zhuǎn)速降到80%，頻率由50Hz降到40Hz，則軸功率將下降到51.2%等。當(dāng)然，由于轉(zhuǎn)速下降引起的效率下降及附加裝置的損耗，實(shí)際節(jié)能的百分值有所下降，但節(jié)能效果仍是相當(dāng)可觀的。

2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理研究

變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理如圖2所示，根據(jù)用水量的情況，PLC可編程控制器具有自動(dòng)控制多臺(tái)水泵的功能，它首先控制水泵電機(jī)軟起動(dòng)，變頻運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)頻率上升到50Hz后，管道出口水壓仍未達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)起動(dòng)第二臺(tái)泵，并無沖擊切換到工作頻率電源。如果管道出口水壓仍未達(dá)到設(shè)定值，變頻器將繼續(xù)起動(dòng)第三臺(tái)水泵，并無沖擊地切換到工作頻率電源，以此類推，直到水管出口水壓達(dá)到設(shè)定值為止，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)循環(huán)軟起動(dòng)。變頻器控制的3號(hào)泵同時(shí)執(zhí)行壓力反饋調(diào)節(jié)，確保出口水壓穩(wěn)定。當(dāng)用水量減小時(shí)，3號(hào)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速逐漸下降到某一個(gè)設(shè)定低速值，如管道壓力仍高于設(shè)定值，然后停止該臺(tái)水泵。停止一臺(tái)水泵后，如果管道壓力仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將如上再軟停另一臺(tái)水泵，以此實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)循環(huán)軟停止，直到壓力等于設(shè)定值。

圖2 控制系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

控制系統(tǒng)用一臺(tái)變頻器可以帶三臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵既可以工作在常規(guī)工頻泵模式，也可以工作在變頻泵模式。每臺(tái)泵只能處于變頻或工頻其中一種工作模式，通過PLC的程序和外部接觸器進(jìn)行互鎖，保證了它的安全與可靠。利用安置在管網(wǎng)出口的壓力傳感器將水的壓力信號(hào)傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)器，根據(jù)與調(diào)節(jié)器的設(shè)定值和報(bào)警上下限比較，送信號(hào)給PLC與變頻器。泵的起、停分別由調(diào)節(jié)器的壓力下限信號(hào)和變頻器的頻率下限信號(hào)決定。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過PLC控制加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

為防止變頻器50Hz驅(qū)動(dòng)與市電50Hz驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出功率不同造成反復(fù)加泵/減泵現(xiàn)象，程序中的加泵/減泵的切換點(diǎn)不是剛好等于設(shè)定值時(shí)就切換。加泵時(shí)壓力判斷點(diǎn)為：設(shè)定值-Δ，減泵時(shí)判斷點(diǎn)為：設(shè)定值+Δ。其中Δ根據(jù)水壓控制的精度要求而對(duì)應(yīng)設(shè)置。同時(shí)系統(tǒng)配備的時(shí)間控制器和PID控制器，使其具有定時(shí)換泵運(yùn)行功能（即鐘控功能，由PLC的時(shí)間控制器實(shí)現(xiàn)）和雙工作壓力設(shè)定功能（PID控制器和消防報(bào)警實(shí)現(xiàn)）。此外，系統(tǒng)還有多種保護(hù)功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。

采用變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并自動(dòng)調(diào)整泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是管網(wǎng)的出水壓力。系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，其與反饋管網(wǎng)的壓力值通過PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。這與傳統(tǒng)的恒速泵供水系統(tǒng)、水塔高位水箱供水系統(tǒng)和氣壓罐供水系統(tǒng)相比，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水質(zhì)量高、靈活性強(qiáng)、能耗少、電動(dòng)機(jī)起、停平穩(wěn)、無水錘效應(yīng)等許多優(yōu)點(diǎn)。

在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速或加減泵的個(gè)數(shù)，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)電、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運(yùn)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水；電機(jī)控制采用輪換運(yùn)行的方式，保證各臺(tái)運(yùn)行時(shí)間基本相同；管網(wǎng)壓力采用PID和PLC的壓力閉環(huán)控制，任何用水量的變化均能使供水管網(wǎng)的服務(wù)壓力保持給定，大大提高了供水品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]富士變頻器5000G9S系列使用說明書.

[2]張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.12.

[3]趙永成，閻長(zhǎng)罡，李茂成.PLC在變頻調(diào)速多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)中的應(yīng)用.控制工程，2002.11.第9卷第6期.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文