一種基于RS485通信的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

嚴(yán)春平，龔素文，熊望志

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 九江332007）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水品質(zhì)和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡量供水品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力的恒定性。由于用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平衡現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上，表現(xiàn)為：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。

變頻恒壓供水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中普遍采用的一種水處理系統(tǒng)，因其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用，變頻恒壓供水系統(tǒng)可依據(jù)用水量的變化（實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，保持水壓恒定，以滿足用水要求。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能特性使得其越來越廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū)、高層建筑的生活及消防供水系統(tǒng)[1]。

目前常用的變頻恒壓供水系統(tǒng)采用的方式是通過變頻器的外部端口來進(jìn)行控制，該控制方式連接線路較多，出故障的概率較大。PID運(yùn)算由變頻器完成，不能進(jìn)行靈活的參數(shù)調(diào)節(jié)。采用RS485通信的控制方式，能避免以上問題的出現(xiàn)。

1 變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理

在工業(yè)和生活給水系統(tǒng)中，應(yīng)用最多的是離心式水泵，離心式水泵的特性曲線見圖1，而圖2是供水管網(wǎng)的阻力曲線。

圖1中，橫坐標(biāo)表示流量Q，縱坐標(biāo)表示水泵的揚(yáng)程曲線H.圖中的曲線P代表水泵的功率，η代表水泵的效率。圖2中，曲線DE表示供水管網(wǎng)的阻力曲線。

圖1 離心泵的特性曲線

圖2 供水管網(wǎng)的阻力曲線

水泵變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的曲線如圖3所示。泵的特性曲線與管道性能曲線DE的交點(diǎn)A0即為泵正常使用時(shí)的工作點(diǎn)。

圖3 水泵變頻調(diào)速時(shí)的H-Q曲線

節(jié)流控制是通過改變裝在管道上的閥門或擋板的開度，使閥門對(duì)供水的摩擦阻力變大，反映到圖3中，阻力曲線從DE移到DE'，揚(yáng)程則從H0升到H1，流量由Q0減小到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從A0點(diǎn)移動(dòng)到A1點(diǎn)。

變頻調(diào)速控制是在管網(wǎng)性能曲線不變的情況下，通過改變泵的工作轉(zhuǎn)速，使其性能曲線變化，從而變更運(yùn)行工作點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。泵的特性曲線取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果把速度從n變?yōu)閚'，工況點(diǎn)將從A0點(diǎn)移到A2點(diǎn)，揚(yáng)程將從H0降到H2，流量將從Q0減小到Q1，與用節(jié)流控制時(shí)輸出的流量相同。

揚(yáng)程（H）、流量（Q）、轉(zhuǎn)速（n）和軸功率（P）之間存在如下的關(guān)系：

其中，K1、K2、K3、K 為常數(shù)。由上式可以看出，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，一般應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20%~50%，效益顯著。

2 變頻恒壓供水系統(tǒng)

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的一般原理為：根據(jù)用戶設(shè)定的目標(biāo)壓力，采用一個(gè)壓力傳感器（反饋為4~20 mA或0~10 V）檢測(cè)管網(wǎng)中的實(shí)際壓力，壓力傳感器將信號(hào)經(jīng)過采集回路（如A/D轉(zhuǎn)換模塊）送入控制器（如PLC）進(jìn)行信號(hào)處理。將實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力作對(duì)比，實(shí)際壓力高于目標(biāo)壓力，變頻器降速運(yùn)行；實(shí)際壓力低于目標(biāo)壓力，變頻器升速運(yùn)行。通過控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定目標(biāo)壓力相一致。

2.1 系統(tǒng)的組成

變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成見圖4.該系統(tǒng)以三菱FX2N PLC為控制器，通過485BD模塊對(duì)變頻器進(jìn)行控制。恒壓供水的基本思路是：通過HMI人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，通過壓力變送器檢測(cè)出管網(wǎng)的實(shí)際壓力，通過AD模塊采集后送入PLC控制器，由PLC進(jìn)行PID運(yùn)算后，最后通過485BD模塊完成對(duì)變頻器的調(diào)速控制，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[2-3]。PLC的參數(shù)設(shè)置如圖5所示，PLC程序流程圖如圖6所示。本系統(tǒng)采用的變頻器是三菱FR-E740經(jīng)濟(jì)型高性能變頻器，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成

圖5 PLC參數(shù)設(shè)置圖

圖6 程序流程框圖

表1 三菱變頻器E740參數(shù)設(shè)定表

2.2 RS485通信參考程序

PLC與變頻器之間通過RS485通信的參考程序如圖7~圖10所示。在圖10的程序圖中，數(shù)據(jù)寄存器D1的數(shù)值，是由PLC通過PID運(yùn)算后得出的值。

圖7 通信主程序

圖8 變頻器啟動(dòng)子程序

圖9 變頻器停止子程序

圖10 修改變頻器頻率子程序

3 結(jié)束語

基于RS485通信方式的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。采用該通信方式后，改變了傳統(tǒng)的利用變頻器外部端口進(jìn)行PID控制的方式，使得PID運(yùn)算由PLC來完成，通過PLC編程，可以對(duì)PID運(yùn)行的參數(shù)進(jìn)行修改，使得該控制方式更加靈活，及時(shí)適應(yīng)新的變化。并且，減少了外部端口的線路連接，不僅能提高通信的可靠性，也能減少出故障的概率。

通過對(duì)變頻器的設(shè)置以及PLC程序的詳細(xì)分析設(shè)計(jì)，為該方法的可行性提供了技術(shù)保障。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，改變了傳統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化，閉環(huán)控制系統(tǒng)能適應(yīng)水量變化，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，保證管網(wǎng)末端壓力恒定，提高供水質(zhì)量。

[1]張燕賓．SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]姜興忠，戴恒陽．變頻恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理分析[J]．電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2002，（4）：9-11.

[3]廖常初．PLC編程及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.