趙暉，胡肖聰

1.天臺(tái)縣人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 臺(tái)州 317200；2.慈溪市人民醫(yī)院 設(shè)備科，浙江 寧波 315300

0 前言

根據(jù)消毒供應(yīng)中心管理規(guī)范，在對(duì)器械等物品進(jìn)行手工或清洗機(jī)清洗時(shí)，須使用自來(lái)水以及純水。為了滿足要求，需配備水處理系統(tǒng)，提供合格用水。我院原先使用一臺(tái)國(guó)產(chǎn)水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為早期產(chǎn)品，出水量小，需手工啟停；另外由于供應(yīng)室用水的特點(diǎn)，用水高峰和低谷的用水量相差很大，而原水處理不論用水量大小，水泵均以工頻運(yùn)行，用水低谷時(shí)造成水資源及電能的浪費(fèi)，高峰時(shí)則水壓明顯下降，造成清洗機(jī)欠壓報(bào)警。

為此，在原水處理機(jī)基礎(chǔ)上，增加純水水箱、純水泵及恒壓控制系統(tǒng)，以適應(yīng)供水要求。依據(jù)用水量的變化（實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)純水泵電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，并采用純水循環(huán)供水，消除系統(tǒng)供水死角，保證系統(tǒng)清洗、消毒無(wú)死角，提高供水的質(zhì)量。

1 控制原理

恒壓控制系統(tǒng)原理，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)主要由人機(jī)界面（HMI）、可編程控制器（PLC）、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、配電裝置等組成。用戶可以通過(guò)觸摸屏設(shè)置水壓、了解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

PLC利用液位傳感器測(cè)定純水水箱內(nèi)的蓄水量，根據(jù)水箱的高、低水位信號(hào)，再由傳感器直接送給PLC，控制進(jìn)水電磁閥及水處理機(jī)的啟閉，以保持水量恒定，同時(shí)系統(tǒng)可在空閑及上班前提前生產(chǎn)純水，儲(chǔ)存于水箱中，緩解水處理機(jī)出水量不足的矛盾。

工作時(shí)，通過(guò)安裝在出水管上的壓力變送器，把出口壓力信號(hào)變成4～20 mA信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)PID運(yùn)算與PLC給定的壓力參數(shù)進(jìn)行比較，輸出運(yùn)行頻率到變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，達(dá)到恒壓供水。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)。

當(dāng)變頻器故障時(shí)，PLC通過(guò)接觸器將水泵切換為工頻運(yùn)行。

圖1 恒壓控制系統(tǒng)原理圖

2 水泵

水泵采用三相異步電動(dòng)機(jī)，從理論上可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與供電頻率f有以下關(guān)系：

式中，p-電機(jī)極數(shù) ， s-電機(jī)滑差率。

由上式可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。為了避免降低頻率后磁通過(guò)大，磁回路飽和，使電機(jī)電流增大，嚴(yán)重時(shí)燒毀電機(jī)，所以在改變電源頻率的同時(shí)需控制電源電壓。

3 變頻器

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式，先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電，然后再把直流電轉(zhuǎn)換成交流電，以電壓均可控制的交流電供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。

變頻器有V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式[1-3]。其中，V/f控制是在改變電機(jī)電源頻率的同時(shí)改變電機(jī)電源電壓，使電機(jī)磁通保持一定，在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，電機(jī)的功率不下降。V/f控制為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需速度傳感器，電路比較簡(jiǎn)單，使用標(biāo)準(zhǔn)的三相異步電動(dòng)機(jī)，通用性較強(qiáng)，性價(jià)比較高，常用于通用變頻器上，這類變頻器主要用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速（調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合）功能。

變頻器在工頻（50 Hz）以下和以上工作時(shí)的情況：

（1）變頻器頻率f＜50 Hz時(shí)，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。但其主要缺點(diǎn)是低速時(shí)V/f控制已不能保持電機(jī)磁通恒定，電機(jī)磁通的減小必然造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，使用V/f控制時(shí)，低速性能較差。在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

隨著市場(chǎng)營(yíng)銷的模式的崛起，我國(guó)企業(yè)在市場(chǎng)中面對(duì)的挑戰(zhàn)與競(jìng)爭(zhēng)又更加嚴(yán)峻，在這種條件下，企業(yè)不得不進(jìn)行改革和創(chuàng)新。依目前的形勢(shì)看，企業(yè)加強(qiáng)經(jīng)濟(jì)管理已經(jīng)成為持續(xù)發(fā)展的重中之重。市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)急速發(fā)展，如果企業(yè)不重視經(jīng)濟(jì)管理，就不能利用先進(jìn)的管理模式和技術(shù)手段鞏固企業(yè)的發(fā)展，長(zhǎng)此以往，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)極有可能發(fā)生混亂，從而失去市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）變頻器頻率f＞50 Hz時(shí)，為恒功率調(diào)速。當(dāng)變頻器輸出頻率f從50 Hz以上增加時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，由于調(diào)速時(shí)所需的功率隨轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)過(guò)快，所以通常不應(yīng)使水泵超工頻運(yùn)行。

考慮以上因素，變頻器選用V/f控制，并設(shè)置變頻器工作頻率上限為工頻為50 Hz，下限設(shè)置為10 Hz，滿足泵的轉(zhuǎn)速的變化。

4 PID調(diào)節(jié)器

PID調(diào)節(jié)器可采用以下控制形式[4-10]：

（1）軟件型。使用離散形式的PID控制算法，在可編程序控制器上實(shí)現(xiàn)PID控制，但需配置模擬量模塊，成本高，且編程、調(diào)試復(fù)雜。

（2）硬件型。通用PID溫控器。其操作簡(jiǎn)單，成本較低，但調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，穩(wěn)態(tài)性能稍差。

（3）內(nèi)置型PID。變頻器內(nèi)置PID控制功能，其優(yōu)點(diǎn)是成本低，控制性能較好，設(shè)置的參數(shù)少，接線工作量較少，且抗干擾性最好。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)電氣原理簡(jiǎn)圖，見(jiàn)圖2。

變頻器選用ABB ACS510，可簡(jiǎn)化PLC配置、編程。ABB ACS510內(nèi)置Modbus RTU協(xié)議，通過(guò) RS485通訊接口與PLC通訊。

由于ABB ACS510內(nèi)置Modbus RTU協(xié)議，要求通過(guò)RS485接口通訊，而FX3G的PLC雖然可加裝擴(kuò)展的485通訊板，但沒(méi)有專門的MODBUS模塊，因此必須對(duì)MODBUS深入了解，才能解決數(shù)據(jù)編碼、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)、超時(shí)處理和出錯(cuò)重發(fā)等一系列問(wèn)題。它的一條簡(jiǎn)單的變頻器操作指令，要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實(shí)現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣。

Modbus協(xié)議最初由Modicon公司開(kāi)發(fā)，包括ASCII、RTU、TCP等，支持傳統(tǒng)的RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備[11-13]。它是一種基于主/從結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式串行通訊協(xié)議，此協(xié)議定義了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，可非常輕松地在所有類型的串行接口上實(shí)現(xiàn)。Modbus RTU消息幀包括：[設(shè)備地址][功能代碼][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗(yàn)的低8位][CRC校驗(yàn)的高8位]。Modbus支持的部分功能碼，見(jiàn)表1。

表1 Modbus支持的功能碼

變頻器控制選用PID宏控制。首先將電機(jī)銘牌上的數(shù)據(jù)：額定電壓、額定電流、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定功率輸入變頻器，并選用PID控制宏，設(shè)置其他參數(shù)，如啟停信號(hào)源、PID調(diào)節(jié)器給定值和反饋值選擇、通訊參數(shù)等。工作時(shí)，PLC通過(guò)RS485與變頻器通訊，設(shè)置、讀取參數(shù)，并通過(guò)Y0控制變頻器啟動(dòng)、停止，通過(guò)X0、X1讀取變頻器啟動(dòng)及報(bào)警信號(hào)。P1為水壓傳感器，將壓力信號(hào)變成4～20 mA信號(hào)送入變頻器PID模塊，與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，輸出運(yùn)行頻率到變頻器，進(jìn)而控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，達(dá)到恒壓供水。X2、X3為水箱高、低液位信號(hào)輸入端，PLC根據(jù)該信號(hào)及定時(shí)設(shè)置輸出至Y1控制進(jìn)水電磁閥，Y2、Y3用于啟停水處理機(jī)增壓泵和高壓泵。

6 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

由PLC和變頻器等組成的恒壓供水控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮了可靠的內(nèi)置式PID運(yùn)算模塊，可自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)充分利用原有水處理系統(tǒng)，節(jié)約經(jīng)費(fèi)，且操作方便、運(yùn)行可靠。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）節(jié)能。對(duì)于離心風(fēng)機(jī)、離心水泵這類負(fù)載，功率消耗與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，即：N=Kn3（N為水泵消耗功率；K為比例系數(shù)；n為轉(zhuǎn)速）。水泵是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但除用水高峰外，大部分時(shí)間流量較小，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。

（2）由于水泵工作在變頻工況，當(dāng)出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。

（3）水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。

（4）具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，也延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。

（5）恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。

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