變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性的特征，設(shè)計(jì)了一種變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用PLC的邏輯控制與自診斷分析功能，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)恒壓供水，水泵電機(jī)根據(jù)測(cè)量壓力均可變頻和工頻供電，相互備用。實(shí)際運(yùn)行表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性強(qiáng)，控制靈活，安全可靠。

關(guān)鍵詞：節(jié)能;變頻調(diào)速;PID應(yīng)用宏;PLC控制;邏輯控制

0 引言

藥品研發(fā)中試企業(yè)用水量具有間斷性特征，有生產(chǎn)需求時(shí)用水量大，在藥品研發(fā)小試階段用水量較小，因此，離心水泵必須通過調(diào)整轉(zhuǎn)速來滿足水壓穩(wěn)定性的需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，并具有良好的節(jié)能效果。

1 水泵變頻調(diào)速節(jié)能原理

水泵調(diào)速的H-Q曲線如圖1所示，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)D是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點(diǎn)。當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，若要減小流量，則需關(guān)小閥門開度，使閥門摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚(yáng)程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到A點(diǎn)。

調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線不變，泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果將轉(zhuǎn)速由nN變?yōu)閚1，運(yùn)行工況點(diǎn)從D點(diǎn)移到C點(diǎn)，揚(yáng)程從H0降到H3，流量從QN減小到Q1，則泵在A點(diǎn)、C點(diǎn)工況運(yùn)行時(shí)的軸功率分別為：

式中：PA、PC為泵在工況點(diǎn)A、C的軸功率（kW）;Q1為工況點(diǎn)流量（m3/s）;H1、H3為工況點(diǎn)揚(yáng)程（m）;ρ為輸出介質(zhì)單位體積質(zhì)量（kg/m3）;η為工況點(diǎn)的泵效率（%）。

將PA與PC相減得出使用調(diào)速控制時(shí)節(jié)省的功率：

水泵采用調(diào)速控制方式時(shí)，若所需流量為額定流量的80%，則軸功率僅為額定軸功率的51.2%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10%～40%，流量越小，節(jié)能效果越明顯[1]。

2 控制系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)供水泵采用兩用一備方式，泵功率15 kW，Q=162 m3/s，H=42 m，泵前裝有9.5 m×3 m×2.5 m的生產(chǎn)水箱，企業(yè)用水量經(jīng)常出現(xiàn)間斷性、階梯性特征，且市政供水壓力偏高，為保證生產(chǎn)用水的安全性，避免系統(tǒng)管網(wǎng)壓力過高，本設(shè)計(jì)采用變頻器一拖三運(yùn)行方式，每臺(tái)泵電機(jī)均可工作在變頻/工頻模式下，在主回路控制中，每臺(tái)電機(jī)分別通過接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源連接，工頻回路裝有過熱繼電器，工頻和變頻控制回路在硬件和軟件方面互鎖，當(dāng)任意一臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)經(jīng)過邏輯分析自動(dòng)投入備用供電回路，確保管網(wǎng)供水壓力穩(wěn)定，安全供水。

本系統(tǒng)采用經(jīng)典的PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，PLC選用西門子的CPU226CN小型機(jī)，本機(jī)集成24點(diǎn)DI輸入、16點(diǎn)DO輸出，PLC的I/O端口分配表如表1所示。變頻器選用ABB的ACS510系列，其程序參數(shù)集成了恒壓供水、冷卻風(fēng)機(jī)、地鐵和隧道通風(fēng)等典型應(yīng)用，ACS510系列端子接線表如表2所示。本系統(tǒng)還包括數(shù)顯壓力變送器、液位計(jì)、斷路器、接觸器、熱繼電器等常規(guī)電氣元件，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)的開環(huán)控制和自動(dòng)狀態(tài)下的恒壓閉環(huán)控制。PLC完成水泵的啟停、控制點(diǎn)采集、邏輯控制、報(bào)警等功能。

ABB變頻器具有內(nèi)置的PID功能模塊。變頻調(diào)速系統(tǒng)限制電機(jī)啟動(dòng)電流，避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，可消除泵啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。但變頻調(diào)速范圍應(yīng)在離心泵特征曲線（H-Q）的最佳工作范圍內(nèi)，即頻率下調(diào)10%～30%才能體現(xiàn)出較好的節(jié)能效益，再往下調(diào)節(jié)頻率，就會(huì)出現(xiàn)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)而不出水的工況，即超出了離心泵的極限工作范圍[2]。ACS510系列變頻器能很好地解決恒壓供水的PID算法控制問題。

3 恒壓控制過程及實(shí)現(xiàn)

恒壓控制充分利用了ABB的ACS510系列變頻器內(nèi)置的PID宏控制參數(shù)，宏是一組預(yù)先定義的參數(shù)集，且所有宏參數(shù)將自動(dòng)設(shè)置成默認(rèn)值，可減少調(diào)試時(shí)間，降低出錯(cuò)的可能性，通過必要參數(shù)的設(shè)置，可以有效地實(shí)現(xiàn)恒壓供水功能[3]。本系統(tǒng)變頻器的主要參數(shù)設(shè)置如表3所示。

系統(tǒng)在泵出口水平總管道上安裝數(shù)顯壓力變送器，量程范圍為0～2.5 MPa，當(dāng)水泵自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，壓力變送器的4～20 mA信號(hào)進(jìn)入ABB變頻器的AI1輸入端，變頻器根據(jù)給定值和測(cè)量值的偏差及偏差變化率，經(jīng)PID運(yùn)算后，調(diào)整變頻器輸出頻率，根據(jù)公式n=60f/p（f為頻率，p為極對(duì)數(shù)），改變異步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率，直接控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變水泵的H-Q特征值，從而調(diào)整水泵出口壓力。

邏輯控制方面，假定1#泵運(yùn)行，當(dāng)用水量增大時(shí)，管網(wǎng)壓力下降，變頻器的PID自動(dòng)調(diào)節(jié)使其頻率輸出增大，當(dāng)頻率輸出值達(dá)到49.5 Hz時(shí)，根據(jù)變頻器參數(shù)1401、3201、3203的設(shè)置，變頻器DO1輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.0為“1”發(fā)出增泵指令，PLC延時(shí)10 s后，該臺(tái)水泵自動(dòng)切換至工頻運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，此時(shí)變頻器停止工作，自由停車至0頻率值，延時(shí)5 s后啟動(dòng)2#泵變頻運(yùn)行。

當(dāng)用水量減少，管網(wǎng)壓力升高至0.35 MPa時(shí)，根據(jù)變頻器參數(shù)1402、3204、3206的設(shè)置，變頻器DO2輸出值為“ON”，PLC根據(jù)I0.1為“1”發(fā)出減泵指令，1#工頻泵停止運(yùn)行。

隨著用水量減少，變頻器工作在低頻段，根據(jù)變頻器參數(shù)4023、4024的設(shè)置，當(dāng)頻率低于30 Hz時(shí)，變頻器啟動(dòng)睡眠功能，并延時(shí)60 s后變頻器停止工作，避免浪費(fèi)電能。

若用水量增大或持續(xù)少量用水，管網(wǎng)壓力會(huì)持續(xù)降低，根據(jù)變頻器參數(shù)4025、4026的設(shè)置，當(dāng)壓力下降到0.25 MPa時(shí)，經(jīng)過延時(shí)0.5 s后，變頻器開始啟動(dòng)重新工作，保證管網(wǎng)壓力控制在0.3 MPa左右。

變頻泵工作的輪換按1#、2#、3#水泵順序循環(huán)工作，3臺(tái)泵自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行，互為備用，使泵組設(shè)備均衡使用，避免單臺(tái)泵運(yùn)行過度損耗。若此時(shí)有1臺(tái)泵組發(fā)生故障，表現(xiàn)為開關(guān)跳閘、熱繼電器動(dòng)作，則第3臺(tái)泵根據(jù)控制策略需要，自動(dòng)投入運(yùn)行，若變頻器發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示崗位人員切換手動(dòng)狀態(tài)，水泵將在工頻狀態(tài)下運(yùn)行，在緊急情況下可打開生產(chǎn)水箱的旁通閥，保證持續(xù)供水。

為避免加泵、減泵切換過程中壓力出現(xiàn)波動(dòng)，或用水負(fù)荷大幅度波動(dòng)造成調(diào)節(jié)震蕩，在泵出口連接有穩(wěn)壓罐，能有效保證供水壓力的穩(wěn)定性。

當(dāng)生產(chǎn)水箱的液位低于0.25 m時(shí)，PLC掃描到低水位信號(hào)，系統(tǒng)將停機(jī);當(dāng)液位高于2.3 m時(shí)，PLC掃描到高水位信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。

4 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

軟件采用西門子的STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9編程軟件，PLC程序主要由MAIN初始化主程序以及運(yùn)行狀態(tài)、增減泵程序、邏輯控制、報(bào)警等子程序組成，模塊化程序設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的閱讀性、可靠性，便于系統(tǒng)調(diào)試和程序移植。

5 結(jié)語(yǔ)

變頻恒壓供水系統(tǒng)保證了生產(chǎn)供水的穩(wěn)定性和可靠性，具有很強(qiáng)的自診斷能力，降低了故障發(fā)生的概率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)水、節(jié)電效果顯著，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉宜，方桂筍，李晨晨，等.基于PLC的泵站供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].排灌機(jī)械，2007（6）：17-20.

[2] 孫小權(quán)，秦春節(jié)，何喜玲.基于PLC的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2007（1）：47-48.

[3] 北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司.ABB變頻器ACS 510用戶手冊(cè)[Z].

收稿日期：2020-05-07

作者簡(jiǎn)介：胡浩（1972—），男，遼寧本溪人，自動(dòng)化工程師，研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、PLC控制現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。