變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

齊健

摘要：我國城鎮(zhèn)市政管網(wǎng)的供水壓力通常維持在0.14MP左右，這樣的水壓只能滿足低層建筑供水的要求，高層建筑必須通過二次加壓才能滿足用水要求。以前大多采用常高壓給水系統(tǒng)，由水泵把水提升到水塔，再由水塔把水輸送給各用戶，結(jié)果增大了水泵的軸功率和能量損耗，非常不經(jīng)濟(jì);本系統(tǒng)將采用PLC與變頻器相結(jié)合的方式來控制水泵的切換和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力恒定輸出。

關(guān)鍵詞：頻器;可編程控制器PLC;自動(dòng)控制

引言

文章在恒壓供水控制方式的基礎(chǔ)上，分析了變頻調(diào)速控制原理，闡述了變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，研究了變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)踐證明，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：分別是，供水能力穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，因此，通過對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)和改造，為有效的開拓該系統(tǒng)廣闊的市場應(yīng)用前景具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，希望通過這次研究，為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供有效的參考。

1變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

第一，在對(duì)儲(chǔ)水池容量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要保證其容量要超過每小時(shí)的最大供水總?cè)萘俊５诙趯?duì)水泵揚(yáng)程的高度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要保證其高度要超過每小時(shí)的最大供水高度。第三，在對(duì)水泵流量總和進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要保證其流量總和要超過每小時(shí)的最大供水總?cè)萘俊Ｖ挥袊?yán)格遵守以上幾個(gè)原則，才能為保證變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的強(qiáng)大功能起著至關(guān)重要的影響。與此同時(shí)，也有利于大大提高用戶的良好體驗(yàn)。

2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：1）根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)中的水泵工作，保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定;2）通過觸摸屏手動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行，以及查看系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);3）自動(dòng)切換運(yùn)行的水泵組合，避免個(gè)別水泵持續(xù)運(yùn)行的時(shí)間過長，延長水泵的使用壽命;4）工頻電源和變頻電源互鎖，防止兩種方式同時(shí)連接造成變頻器短路故障;5）系統(tǒng)中的設(shè)備都具備過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、斷電保護(hù)、缺水保護(hù)的功能。基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)由PLC控制器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、軟啟動(dòng)器和觸摸屏組成。壓力傳感器安裝在供水管網(wǎng)的主水管上，將檢測到的壓力信號(hào)傳輸給PLC控制器，PLC控制器將當(dāng)前的水壓與預(yù)先設(shè)置的水壓進(jìn)行對(duì)比，對(duì)變頻器輸出調(diào)控信號(hào)，變頻器根據(jù)PLC發(fā)來的控制信號(hào)改變輸出頻率，從而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，水泵的出水量隨轉(zhuǎn)速改變，使管網(wǎng)的水壓得到相應(yīng)的調(diào)整，保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定性。

3變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

供水設(shè)計(jì)主要是針對(duì)解決現(xiàn)如今的高層居民區(qū)供水問題而設(shè)計(jì)的，當(dāng)然它的高性能、小投資、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)提高了它的適應(yīng)能力，擴(kuò)大了它的適用范圍。也可更具體要求用于工廠供水線路或?qū)I(yè)消防供水系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的是一對(duì)多的設(shè)計(jì)原理，一臺(tái)變頻器分時(shí)段控制三臺(tái)水系。系統(tǒng)具有 PLC 智能控制單元，完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)系統(tǒng)控制，自動(dòng)的信息數(shù)據(jù)掃描更新功能，是系統(tǒng)資源達(dá)到最合理分配。有效地控制實(shí)現(xiàn)三個(gè)水泵的工作狀態(tài)、電壓頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)速率等性能的控制。

（1）人工方式：可以任意啟/停三臺(tái)水泵中的任意一個(gè)，也可以變換水泵的工頻/變頻工作方式，甚至改變?cè)谧冾l狀態(tài)下運(yùn)行水泵工作的頻率，但需要注意的是同一時(shí)刻系統(tǒng)中三臺(tái)水泵中只能有一臺(tái)水泵處于變頻狀態(tài)運(yùn)行。由于技術(shù)上的限制手動(dòng)方式不能確保出水管網(wǎng)壓力的恒定，所必須需要人為的調(diào)節(jié)。手動(dòng)方式主要被用于：①系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期的性能測試;②工作中的檢修和突發(fā)緊急情況時(shí)水泵的控制;③通過增大或減小變頻器頻率的按鈕來調(diào)節(jié)變頻變換速度，達(dá)到檢測速度的目的。

（2）自動(dòng)方式：系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下主要采用自動(dòng)方式運(yùn)行，自動(dòng)方式下供水系統(tǒng)保持高度的自動(dòng)化。在該方式下按下啟動(dòng)控制鍵，系統(tǒng)將自動(dòng)賦初值，并且根據(jù)實(shí)際用水量的多少自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和變化運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)，這種方式可以極大地提高機(jī)器的利用率，最大限度地保證每臺(tái)水泵在最優(yōu)配置的狀態(tài)下工作。該設(shè)計(jì)中有專用的故障檢測排除功能，不斷掃描檢測設(shè)備的工作情況和各環(huán)節(jié)的配合情況，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有異常，立即通過顯示屏輸出報(bào)警信息和故障分析報(bào)告，控制系統(tǒng)更具問題的影響程度，做出相應(yīng)的應(yīng)急動(dòng)作，如果故障直接影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，那么系統(tǒng)CPU將立即發(fā)出控制信號(hào)，停止系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)做到及時(shí)、有效的保護(hù)。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包含兩個(gè)部分，I/O和寄存器地址的分配以及程序整體邏輯的設(shè)計(jì)與調(diào)試。控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)：恒壓供水系統(tǒng)主要是通過PLC內(nèi)置的PID功能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。液位傳感器將采集到的液位信號(hào)傳送到PLC內(nèi)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將得到的模擬量信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出，此時(shí)的模擬量信號(hào)與當(dāng)前液位差值成正比。變頻器接收PLC輸出的模擬量信號(hào)，設(shè)置變頻器參數(shù)，使得變頻器的頻率隨著模擬量的改變而改變，從而改變水泵的運(yùn)行狀態(tài)，讓水壓始終在預(yù)設(shè)水壓微幅波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行壓力值預(yù)設(shè)，同時(shí)接收實(shí)時(shí)輸出液位高度信號(hào)，將液位高度轉(zhuǎn)化成壓力值。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)實(shí)時(shí)液位小于預(yù)設(shè)的壓力值，則根據(jù)實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)進(jìn)行PID參數(shù)配置，并根據(jù)配置做PID計(jì)算處理，從而對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行控制。（1）數(shù)據(jù)處理。液位傳感器將檢測到的4～20mA的模擬量送到PLCAIW0模擬量輸入端口，通過Scaling庫可直接調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，簡單方便的將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)。（2）輸出壓力值計(jì)算。考慮我們最終目的是實(shí)現(xiàn)恒壓，因此我們需要將得到的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，并將最終得到的壓力值保存在VD100寄存器在中。（3）PID算法采用PID向?qū)В谙驅(qū)гO(shè)置時(shí)將PID的增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)根據(jù)輸入電流從4mA開始，在過程變量范圍設(shè)置時(shí)需使用20%偏移量，輸出類型選擇模擬量和單極性，將使能低限報(bào)警、使能高限報(bào)警和使能模擬量輸入模塊報(bào)錯(cuò)分別存入中間寄存器M0.1、M0.2和M0.3。將M0.0作為是否啟用PID算法的開關(guān)，當(dāng)M0.0置為1，則輸出根據(jù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行PID算法，并輸出水壓最終達(dá)到預(yù)設(shè)值;如M0.0置為0，則不經(jīng)過PID算法，且輸出水壓為最大值的20%。

5智能化變頻供水控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合

為了較好地完成控制系統(tǒng)功能 ，在實(shí)際施工安裝中，可以采用了西門子變頻器和可編程序控制器， 以及優(yōu)質(zhì)的軟啟動(dòng)器 、接觸器 、啟停按鈕和信號(hào)燈， 并做防電磁干擾工作。此系統(tǒng)主要應(yīng)用場合如下 ：⑴高層建筑、城鄉(xiāng)居民小區(qū)、企事業(yè)等生活用水;⑵各類工業(yè)需要恒壓控制的用水 、冷卻水循環(huán)、熱力網(wǎng)水循環(huán)、鍋爐補(bǔ)水等;⑶中央空調(diào)系統(tǒng);⑷自來水廠增壓系統(tǒng);⑸農(nóng)田灌溉、污水處理 、人造噴泉;⑹各種流體恒壓控制系統(tǒng)。

結(jié)語

隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展以及大量用戶用水的需求，該系統(tǒng)將有更廣闊的市場前景。作為供水工程的相關(guān)人員，在利用變頻恒壓供水系統(tǒng)時(shí)，除了具備專業(yè)的技術(shù)水平以外，還要積極掌握系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)性能，改善系統(tǒng)中所存在的不足，為我國的供水工程發(fā)展做出一定的貢獻(xiàn)。

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