變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設計與實際應用

林思克

【摘 要】變頻調(diào)速恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應用越來越廣泛，其采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡便，成本低，并能自動實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速。本文根據(jù)供水單位的要求，設計了基于PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足了用戶端在用水量發(fā)生變化時仍保持水壓恒定的用水要求。

【關鍵詞】變頻調(diào)速；恒壓供水；無級調(diào)速；PLC控制

隨著變頻器的快速迭代，變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用，特別是在供水行業(yè)，由電動機、泵組、壓力儀表、變頻器、微控制器和傳感器等現(xiàn)代控制設備所構(gòu)建的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，將我國供水行業(yè)的技術裝備水平經(jīng)歷了一次飛躍。某一供水單位希望設計一套變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。

1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的總體分析

1.1 系統(tǒng)的功能要求

恒壓供水要求用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費[1]。某供水單位為實現(xiàn)恒壓供水這一目標，對系統(tǒng)提出了以下幾點要求：

（1）三臺水泵中1臺備用，其余2臺處于工作狀態(tài)。為了提高設備的綜合利用率，工作泵與備用泵不固定；

（2）三臺水泵均可實現(xiàn)變速、定速運行。但水泵運行的實際臺數(shù)（1臺還是2臺）和電機速度，還要由住戶用水量的高低來決定（進行不同頻率的切換）；

（3）系統(tǒng)具有“手動”、“自動”控制切換；

（4）系統(tǒng)具有較完善的保護措施，以防止、避免事故的發(fā)生和擴大；

（5）具有完整的報警功能；

（6）對泵的操作要有手動和自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用。

1.2 系統(tǒng)設計原理分析

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理如下：壓力傳感器將主管網(wǎng)水壓變換為電流信號，輸入PID調(diào)節(jié)運算，與給定值進行比較，得出一個調(diào)節(jié)參數(shù)，再進入變頻器，變頻器根據(jù)要求調(diào)速，調(diào)節(jié)水泵電機的頻率。當用水量較大時，一臺泵在變頻器的控制下恒壓運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力達到設定值時，壓力傳感器上傳的信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)再到變頻器，變頻泵的頻率增大，轉(zhuǎn)速變大；如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達到最大值，仍不能使管網(wǎng)水壓達到設定值時，PLC就發(fā)出控制信號，將剛才運行的水泵切換為工頻狀態(tài)，用變頻器起動另一個泵。由PLC控制兩臺泵同時工作，一臺變頻運行，一臺工頻運行，若還不能滿足，則再啟動備用泵，兩臺工頻，一臺變頻，如果此時還不能滿足需要，則全部設為工頻運行。相反，如果用水量減少，則按照相反的過程減少水泵的運行量。

由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由PID回路調(diào)節(jié)給出的，所以對PLC來講，不需要有模擬量輸入接口和模擬量輸出接口。減少了連線和附加設備，降低了給水設備的成本，增加了整套設備的可靠性。且PID回路調(diào)節(jié)可以進行量綱的變換，因而可以進行供水壓力的直接設定，直觀可靠。

2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的電路設計

2.1 系統(tǒng)的總體規(guī)劃

該系統(tǒng)主要由3臺水泵（兩臺生活水泵，一臺備用泵）、1臺變頻器（內(nèi)帶PID調(diào)節(jié)功能）、PLC、及線性壓力傳感器等組成。PLC控制各臺水泵的運行狀態(tài)（如工頻運行、變頻運行、停止），從而控制水泵的運行臺數(shù)，在供水中利用PID回路調(diào)節(jié)功能將檢測到的現(xiàn)場壓力值與整定值進行比較[2]。比較后的信號送至變頻器，對變頻器進行調(diào)節(jié)，從而達到控制電泵速度的目的。水泵的速度具體的調(diào)節(jié)是采用變頻調(diào)速技術，利用變頻器對水泵進行速度控制。

2.2 系統(tǒng)的主電路設計

該系統(tǒng)包括3臺水泵電動機M1、M2、M3，其中M3為備用，系統(tǒng)為一臺變頻器依次控制每臺水泵實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)恒壓控制。系統(tǒng)具有變頻及工頻兩種運行狀態(tài)，當變頻泵達到水泵額定轉(zhuǎn)速后，如水壓在所設定的判斷時間內(nèi)還不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)自動將當前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵[3]。主電路如圖1所示。

2.3 PLC控制回路設計

控制電路包括繼電器控制電路及PLC控制電路。

（1）PLC外圍電路如圖2所示。

上圖給出了系統(tǒng)的PLC控制電路。其中SA1為手動/自動控制轉(zhuǎn)換開關，SA2為自動起/?？刂妻D(zhuǎn)換開關，P1表示壓力小于設定值時閉合，P2表示壓力大于設定值時閉合，SB1為1泵手動起動按鈕，SB2為1泵手動停止按鈕，SB3為2泵手動起動按鈕，SB4為2泵手動停止按鈕，SB5為3泵手動起動按鈕，SB6為3泵手動停止按鈕，SB7、SB8為變頻器的啟動和停止按鈕，SB9為關閉報警聲音按鈕，SB10為復位按鈕，X16、X17、X20、X21、X22分別接變頻器、PLC及各電機的故障節(jié)點；KA0～KA10為中間繼電器，它們分別控制KM0～KM6工作以及故障顯示和報警控制。

2）繼電器外部連接圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)的工作流程（圖4）

首先，開主電源和PLC電源，然后根據(jù)需要選擇手動或自動，如果選擇手動，則根據(jù)需要選擇各泵的運行，如果選擇自動，開變頻器后，系統(tǒng)會自動根據(jù)水壓情況調(diào)節(jié)水泵的運行，當用水量大，水壓過小的時候，PLC和變頻器配合工作，根據(jù)需要來投入各泵的運行，變頻調(diào)速無法滿足時，PLC將各泵調(diào)整為工頻運行。當水壓變大時，PLC和變頻器配合工作，切除相應的泵運行，如果水壓一直過大時，PLC則調(diào)整1泵為變頻運行。

4 小結(jié)

本文結(jié)合供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，根據(jù)某供水單位的要求，設計了一套以變頻調(diào)速技術為基礎的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動3臺（其中一臺為備用）電動機的啟動、運行與調(diào)速。PLC控制三臺水泵的手動和自動裝置，壓力表采集管網(wǎng)壓力信號，把此信號反饋到變頻器的PID環(huán)節(jié)進行控制，再經(jīng)變頻器進行內(nèi)部調(diào)整，從而輸出適當?shù)念l率，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，進而利用PLC控制水泵電機的工頻和變頻之間的切換[5]。

變頻恒壓供水在企業(yè)及高層生活小區(qū)的應用越來越廣泛，它可取代傳統(tǒng)的水塔、高位水箱或氣壓罐等供水方式，它具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。采用PLC作為控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求。

如果有需要，可加計算機控制和一些外圍設備或器件，使其與樓宇監(jiān)控中心進行通訊，進行界面管理和人機“對話”，實現(xiàn)遠程控制。

【參考文獻】

[1]張燕賓.變頻調(diào)速應用實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000，55-56.

[2]馮垛生.變頻器的應用與維護[M].廣州：南華理工大學出版社，2001，26-27.

[3]姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建科學技術出版社，2005，56-57.

[4]高湘.給水工程技術及工程實例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002，56-58.

[5]高欽和.可編程序控制器應用技術與設計實例[M].北京：人民郵電出版社， 2004，33-35.

[責任編輯：薛俊歌]