無級變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

金昊

摘要：本文介紹了用PLC進(jìn)行邏輯控制，變頻器調(diào)節(jié)壓力的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)。由PLC控制變頻與工頻切換，再經(jīng)過PID運算，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。實驗運行表明，該供水系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，恒壓穩(wěn)定等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： PLC；變頻器；恒壓供水；PID

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）15-0241-03

在當(dāng)今社會，隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對住宅的供水質(zhì)量和供水可靠性要求不斷提高，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)設(shè)計出符合當(dāng)今社會用水要求的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本設(shè)計主要針對日常居民用水?？刂葡到y(tǒng)由變頻器，PLC和PID調(diào)節(jié)器組成，用以調(diào)節(jié)水泵的出水流量。電動機(jī)泵組由四臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水出口流量的壓力來控制變頻器電動機(jī)泵組之間的切換，從而使系統(tǒng)運行在設(shè)定的合理范圍，從而保證供水水壓。

1概述

20世紀(jì)90年代前，我國的住宅小區(qū)和商住樓一般是低層建筑，其供水方式一般采用樓頂水箱的供水方式，由樓底水泵將用水打到樓頂水箱，水箱中的水利用重力將水輸送到各層用戶中。

這一供水方式有安裝簡單、成本低廉的優(yōu)勢，但是隨著社會的進(jìn)步和城市的建設(shè)暴露出越來越多的缺點：

第一、隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑已成為現(xiàn)代城市的標(biāo)志。高樓層的供水并不是把水直接打到頂樓水箱那么簡單的，因為如果為了能將水打到三四十層樓上的水箱而將水壓提升過高，水管的壓力會過大而承受不住，因此舊式的供水系統(tǒng)不適合高層建筑使用

第二、樓底的水泵需要安排專門的人來控制水泵，水用完了開啟水泵，水滿了關(guān)閉，這樣既麻煩也浪費人力，后來時間繼電器被拿來來控制水泵的啟停，可是季節(jié)變化和時間變化后，繼電器的時間設(shè)置就要重新調(diào)整，其效果也不盡如人意。

第三、樓頂設(shè)置水箱，會造成樓內(nèi)生活用水的二次污染。因水箱長期不能清洗，因此長期積累的水垢以及密封環(huán)境中滋生的細(xì)菌，使得即便是較為清潔的自來水進(jìn)入水箱后也會受到污染，而這是設(shè)置水箱供水不可避免的缺陷。

第四、夏季和冬季，住戶用水量明顯的不同。冬季住戶用水少，水壓過高容易造成水管破裂；夏季住戶用水多，水壓過低造成住在高層的住戶沒水使用或流出水量很少。

基于以上四點，由于變頻器能對電機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速而且不改變電機(jī)固有的機(jī)械特性，從而完美的應(yīng)用在了水泵上。再加上變頻器的軟啟動特征，從而使恒壓變頻供水領(lǐng)域進(jìn)入了一個全新的階段。

90年代后期，多數(shù)住房取消了原有的水箱供水。取而代之的，就是我們稱為恒壓供水的區(qū)域供水系統(tǒng)。

上圖是供水系統(tǒng)前端構(gòu)成。供水管網(wǎng)的汲水口位于水源中，當(dāng)電機(jī)帶動泵浦的葉輪旋轉(zhuǎn)，水就被從水源中汲入管道中，并從另一端出水口被送往千家萬戶。在管道上分布著壓力表和傳感器等檢測儀表、器件，用來對管道內(nèi)部的水壓進(jìn)行監(jiān)控，同時檢測結(jié)果是送到變頻器內(nèi)部的。再由變頻器對反饋回來的信號運算后來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

使用變頻器對供水管網(wǎng)動態(tài)控制的優(yōu)點：

（1）節(jié)能：水泵的運行轉(zhuǎn)速可以隨所需水量的變化而變化。

（2）克服了過去老式供水系統(tǒng)的弊端，改為按需供水，而不是定量供水。

（3）節(jié)約了人工，可以實現(xiàn)無人值守。

（4）變頻器與PLC配合使用，具備參數(shù)設(shè)定方便靈活、保護(hù)功能完善、和定時喚醒等優(yōu)點。

2可編程控制器PLC

PLC模塊選擇：IMATIC S7-200屬于西門子小型PLC系列產(chǎn)品，是整體式PLC。使用于各領(lǐng)域中的檢測，監(jiān)測及控制的自動化應(yīng)用。S7-200系列有以下特點：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性；強(qiáng)大的通信能力；豐富的擴(kuò)展模塊。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨立運行中，還是在連成網(wǎng)絡(luò)時皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。S-200系列具有極高的性能價格比。因此，選擇選用S7-200CN。

3 西門子MM430_風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器

電力負(fù)載中風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載的用電量約占總用電量的60%～70%。因此風(fēng)機(jī)和泵類的節(jié)能問題就顯得尤為重要，西門子公司根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用特點推出專用型變頻器。

MicroMaster430 變頻器的設(shè)計具有高效率和準(zhǔn)確控制、安裝靈活等特點。它除了具有歷代變頻器的特點外，還同時具有用于泵類的軟件和硬件特性，特別適合用于風(fēng)機(jī)和泵的控制，使用此變頻器可以節(jié)約能源，最大程度上降低噪聲。

4 變頻器參數(shù)設(shè)定

在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使水壓保持恒定的關(guān)鍵。實際應(yīng)用中，變頻器的參數(shù)設(shè)定包含兩個部分，一個部分是對于電機(jī)的變頻調(diào)速，另一個部分就是使用內(nèi)置的PID控制器實現(xiàn)對電機(jī)速度的閉環(huán)控制。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)變頻調(diào)速參數(shù)設(shè)定步驟

由于本設(shè)計中使用1變頻器拖4泵的傳動結(jié)構(gòu)，并且每臺水泵都是從頻率為零開始啟動，直到50HZ才切換到工頻供電，因此每臺水泵電機(jī)的參數(shù)設(shè)置完全一樣。

4.2變頻器的電機(jī)PID控制

通過對MM430變頻器內(nèi)置的PID控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以根據(jù)現(xiàn)場采集到的壓力數(shù)據(jù)動態(tài)的對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變管網(wǎng)內(nèi)部的水壓，例如下圖所示

5 PLC對系統(tǒng)的控制

本系統(tǒng)中，軟件部分包含西門子PLC與MM430的通信和數(shù)據(jù)交換，以及PLC對8個交流接觸器的控制。

5.1 PLC與MM430的數(shù)據(jù)交換

PLC與MM430變頻器的連接可以采取USS的總線通信，因為PLC采用西門子的S7-200CN，變頻器也是西門子的MM430，因此兼容性沒有問題。

使用USS所帶來的好處如下：

● 開放的，定義透明的系統(tǒng)。

● 在工業(yè)應(yīng)用中證明效果很好。

● 減少了現(xiàn)場布線的數(shù)量；便于（不用更改布線）重新編程，監(jiān)測和控制。

● 速度快，可達(dá) 12Mbaud。

● 可以由一個主站或多個主站進(jìn)行操作。

● 通訊方式可以是點對點或廣播方式。

● 有支持和開發(fā)軟件供使用

在本設(shè)計中采取了采用西門子公司提供的USS協(xié)議，來對S7-200和MM430進(jìn)行連接。

下圖為電氣控制圖：

6 結(jié)束語

本設(shè)計給出了一個基本的水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)，從工藝規(guī)格上來說達(dá)到了設(shè)計要求，基本能夠滿足水廠供水的需求。但是本設(shè)計當(dāng)中也存在一些缺陷，這些缺陷在工藝規(guī)格上并沒有具體要求，實際中確很容易帶來系統(tǒng)運行的問題，例如：

1）當(dāng)變頻器控制電機(jī)從變頻調(diào)速切換成為工頻運行時，電機(jī)速度會有短暫的降低，直接導(dǎo)致管網(wǎng)的壓力下降，而且這種壓力的下降隨著管網(wǎng)規(guī)模越大越趨向明顯，因此單純依靠變頻調(diào)速難以解決。

2）若是大規(guī)模供水的場合，PLC和變頻器的連接采取USS協(xié)議連接就非常不夠，因為管網(wǎng)的壓力數(shù)據(jù)采集點將會非常多，此時可以考率使用西門子公司提出的兩層自動化網(wǎng)絡(luò)，控制層采取PROFIBUS作為分散式控制和通信，底層數(shù)據(jù)的采集可以采用AS-interface，直接掛接壓力變送器。

3）本設(shè)計中的供水系統(tǒng)功能上來說仍不完善，例如沒有對消防泵的控制，沒有設(shè)置分時段壓力檢測和調(diào)節(jié)泵機(jī)轉(zhuǎn)速，也沒有設(shè)置休眠和休眠喚醒。

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