現(xiàn)代小區(qū)節(jié)能供水設(shè)計

顧娟

摘 要：本系統(tǒng)介紹了一種基于舊式水塔供水的PLC控制的恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理。通過傳感器與PID調(diào)節(jié)來實現(xiàn)閉環(huán)控制，系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速或加、減泵，自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩(wěn)過渡。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；PID調(diào)節(jié)器

在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，變頻調(diào)速控制是很常見的，特別是在供水領(lǐng)域的運用已經(jīng)很普遍，大到自來水廠，小到一幢住宅樓。采用恒壓供水大大的提高了供水的品質(zhì)，但是由于很多住宅用的供水系統(tǒng)仍是舊式的，在進行新系統(tǒng)改造時會遇到一些理論上預(yù)料不到的情況。本系統(tǒng)充分考慮舊設(shè)備的運行情況，對其進行改造，提高了系統(tǒng)的利用率。

1 系統(tǒng)介紹

變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及4臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了解和控制系統(tǒng)的運行。

通過安裝在出水管主網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，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；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。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水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。

正常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#。

2 工作原理

2.1 運行方式

該系統(tǒng)有手動和自動兩種運行方式：

⑴. 手動運行

按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。

⑵. 自動運行

合上自動開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標準信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù)PID調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng)平穩(wěn)運行。

3 泵組工作的切換

泵組的切換，開始時，1#泵變頻啟動，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過程與上述類同。

4 PLC控制系統(tǒng)

PLC選用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU226XP、DI/DO模塊、AI/AO模塊組成。PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制核心。其主要的作用要體現(xiàn)以下幾方面：①完成對系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換。②完成對整個系統(tǒng)的邏輯控制及PID調(diào)節(jié)的運算。③將PID運算的數(shù)據(jù)結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號，作為調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率的控制信號。④通過通信電纜及USS4協(xié)議完成對變頻器內(nèi)部參數(shù)讀寫及控制。為了提高整個系統(tǒng)的性價比，該系統(tǒng)采用開關(guān)量的輸入/輸出來控制電機的啟停、定時切換、軟起動、循環(huán)變頻及故障的報警等，而電機轉(zhuǎn)速、水壓量等模擬量則由PID調(diào)節(jié)器和變頻器來控制。

5 變頻器、傳感器控制系統(tǒng)

5.1 利用PID調(diào)節(jié)方式

變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應(yīng)用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調(diào)速技術(shù)在本系統(tǒng)也得到了更加深入的應(yīng)用。

5.2 傳感器

壓電示傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器。它是某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。

傳感器頂端的信號處理電路可將液位信號轉(zhuǎn)換成4-20mA標準信號輸出.磁致伸縮式液位計的測量范圍由磁致伸縮線的長度決定，可以長達十幾米，它可以替換差壓式、電容式、超聲波式、浮筒式或伺服式等傳統(tǒng)的液位計，具有可靠的工作性能.

6 系統(tǒng)優(yōu)勢

6.1 高效節(jié)能

通過采用變頻調(diào)速恒壓控制，可在不同季節(jié)、全天不同時段內(nèi)有效即時地調(diào)控水量，這樣在用水量較低時，大大節(jié)約供水量，減少電耗。

在設(shè)定壓力內(nèi)跟隨用水量供水，避免了傳統(tǒng)供水方式的損耗，降低噸水消耗。

6.2 提高自動化水平

根據(jù)系統(tǒng)建立自動控制系統(tǒng)的原則“分散控制、集中管理、現(xiàn)場無人值守”，變頻恒壓供水技術(shù)的應(yīng)用提高了自動控制系統(tǒng)的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現(xiàn)場無人職守，運行安全可靠。

7 結(jié)束語

在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速運行方式，系統(tǒng)可根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速或加減泵，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)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)；減泵時采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后?！狈绞剑艽_保各泵使用平均以延長設(shè)備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用，需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設(shè)備的使用壽命；壓力閉環(huán)控制，系統(tǒng)用水量任何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)；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現(xiàn)故障消除后自啟動，具有一定的可靠性.

參考文獻

[1] SIMENS、可編程序控制器S7-200操作手冊。

[2]唐修波、變頻技術(shù)及應(yīng)用、北京；中國勞動社會保障出版社、2014

[3]賀玲芳、PLC控制的全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)、西安科技學院學報、2013.9、第20卷、第3期。

[4]梁 森、自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)、北京；機械工業(yè)出版社、2015.1