摘要：文章針對(duì)節(jié)能和提高供水質(zhì)量問(wèn)題，闡述了采用變頻技術(shù)、PLC技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的恒壓供水控制的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：恒壓供水系統(tǒng)；變頻技術(shù)；PLC技術(shù)；供水質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0058-02

恒壓供水是指用戶(hù)端在任何時(shí)候，不管用水量的大小，總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。恒壓供水系統(tǒng)的控制策略是采用可編程控制器（PLC）和變頻調(diào)速裝置優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)能達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。

隨著人們對(duì)提高供水質(zhì)量的要求越來(lái)越高，另外人們的節(jié)能意識(shí)及對(duì)運(yùn)行的可靠性的要求越來(lái)越強(qiáng)。采用變頻器及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)塔恒壓供水系統(tǒng)，不僅能提高供水質(zhì)量，而且在節(jié)約能源和運(yùn)行可靠性具有較好的改善。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備采用國(guó)際上成熟的變頻調(diào)速技術(shù)，具有水壓穩(wěn)定、維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

一、系統(tǒng)組成及工作原理

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(dòng)力控制線(xiàn)路以及四臺(tái)水泵等組成。用戶(hù)通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

系統(tǒng)采用四臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)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(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過(guò)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(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)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(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來(lái)沖擊，相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死。這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L(zhǎng)期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。

二、系統(tǒng)硬件選擇

（一）可編程控制器選擇

可編程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主機(jī)，I/O點(diǎn)數(shù)為40點(diǎn)（24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)），具有兩個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。模擬量輸入采用4路12位A/D模擬量輸入的EM231模塊，具有較高的精度。PLC編程采用STEP7-Micro/WIN編程軟件，它提供一個(gè)完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線(xiàn)編程和在線(xiàn)連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語(yǔ)句表的互相轉(zhuǎn)換。主要檢測(cè)元件有光電開(kāi)關(guān)、壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)，共計(jì)12個(gè)輸入信號(hào)。執(zhí)行部件有電機(jī)、變頻調(diào)速器、聲光報(bào)警器等，共三個(gè)輸出點(diǎn)。PLC主要完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)警、控制變頻器完成壓力調(diào)節(jié)等功能。四臺(tái)水泵由變頻器直接驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行恒壓控制，變頻器的起動(dòng)、停止分為手動(dòng)和PLC控制?？刂泼姘迳显O(shè)有一個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，PLC對(duì)該開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)選擇手動(dòng)功能時(shí)，PLC只進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警，由人工通過(guò)面板上的按鈕和開(kāi)關(guān)進(jìn)行水泵的起、停和切換。當(dāng)選擇自動(dòng)功能時(shí)，所有控制、報(bào)警均由PLC完成。

（二）變頻器選擇

變頻器選用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列風(fēng)機(jī)/泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性?xún)r(jià)比較高。PLC通過(guò)自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)，并通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)，這比通過(guò)外部端口控制變頻器的運(yùn)行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲得了大量變頻器的信息。

（三）控制電路設(shè)計(jì)

在控制電路設(shè)計(jì)中，注意到系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換、每臺(tái)水泵的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖，防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺(tái)水泵工頻和變頻電源同時(shí)接通或多臺(tái)水泵同時(shí)接通變頻電源的現(xiàn)象。

三、系統(tǒng)應(yīng)用

（一）系統(tǒng)流程

為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動(dòng)運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按下按鈕啟動(dòng)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(shí)用。自動(dòng)運(yùn)行模塊包括系統(tǒng)的初始化、開(kāi)機(jī)命令的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子程序、置初值子程序、電機(jī)控制子程序等（見(jiàn)圖2）。

圖2模塊流程圖

其中：數(shù)據(jù)采集子程序完成對(duì)主水管壓力的數(shù)據(jù)采集。控制量運(yùn)算子程序完成變頻器控制量的計(jì)算和控制量的輸出，控制量的計(jì)算按PID控制規(guī)律進(jìn)行。

（二）系統(tǒng)操作

合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)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(lèi)推；如用水量減小，從先啟的泵開(kāi)始減，同時(shí)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(yùn)行（見(jiàn)圖3）。

圖3程序功能圖

若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng)1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)在自動(dòng)供水的過(guò)程中，PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)水池水位，若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào)警信號(hào)；若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí)，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào)；若水池水位高于設(shè)定的水池上限水位時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門(mén)。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過(guò)程。

四、結(jié)論

與傳統(tǒng)供水技術(shù)相比，變頻調(diào)速技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1．節(jié)電，這是變頻恒壓供水系統(tǒng)最顯著的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)能量通常在10%～40%。

2．衛(wèi)生節(jié)水，根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，取消了水塔、水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”。

3．運(yùn)行可靠，變頻恒壓供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶(hù)任何時(shí)候的用水壓力由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管道破裂。

4．控制靈活，可分段、定時(shí)供水。

5．自我保護(hù)功能完善。

6．延長(zhǎng)設(shè)備壽命，保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定。

7．占地少，投資回收期短，一般約為兩年。

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作者簡(jiǎn)介：方向鐵，男（壯族），廣西扶綏縣自來(lái)水廠工程師。