侯金泉+魏奇

摘 要：雙泵控制的恒壓供水系統(tǒng)普遍存在自動化程度低、可靠性差，電機低頻運行，能耗大，效率低且啟停頻繁等問題。本文設(shè)計了一種采用同一頻率源進(jìn)行雙泵控制的控制系統(tǒng)，通過PLC技術(shù)與變頻器技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)高精度的恒壓供水控制，提升壓力反應(yīng)靈敏性，確保雙泵都處于高效率區(qū)間，保證供水系統(tǒng)可靠高效運行。

關(guān)鍵詞：雙泵；恒壓供水；同一頻率源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.122

0 引言

恒壓供水系統(tǒng)目前在企業(yè)生產(chǎn)生活中利用廣泛，尤其在工廠供能部門。供水系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)對企業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行具有重要意義，要求供水壓力保持較高穩(wěn)定性。由于工廠前期供水系統(tǒng)設(shè)計控制較為簡單，導(dǎo)致供水壓力波動較大。以我廠恒壓供水系統(tǒng)為例：改造前采用雙泵供水，控制方式是當(dāng)母管供水壓力低于0.2MPa時，啟動一臺水泵，工頻運行；當(dāng)壓力超過0.35MPa時，停止一臺水泵，母管供水壓力在0.2MPa到0.35MPa之間波動。本文提出了一種基于同一頻率源的控制系統(tǒng)，在滿足供水壓力精度要求的基礎(chǔ)上，保證水泵一直處于高效率運行區(qū)間，按需分配，確保設(shè)備在運行時擁有較好的能耗比。

1 變頻恒壓供水理論分析

目前，水泵電機通常由三相交流異步電動機來驅(qū)動，對水泵的調(diào)速通過對其電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)主要通過變頻調(diào)速裝置同時改變電壓和頻率來實現(xiàn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)通常是使用變頻器拖動電機來實現(xiàn)電動機的軟啟動和無級調(diào)速。在分析水泵的負(fù)載特性時，常采用下列的一組公式：

M∝n2

P∝n 3

式中： n 為電機轉(zhuǎn)速； M 為輸出轉(zhuǎn)矩； P 為輸出功率?？芍?水泵具有平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，當(dāng)用水量減少時，電機轉(zhuǎn)速降低，電機轉(zhuǎn)速的微量減小，將使輸出功率大幅下降。

2 控制系統(tǒng)基本原理

2.1 功能要求

變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的功能要求如下： ①供水壓力基本恒定， 換泵時的水壓波動小，壓力目標(biāo)值在0.35MPa； ②共有2臺11KW水泵，根據(jù)需要來控制水泵啟動停止以及轉(zhuǎn)速。③水泵需具備相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測報警以及過流、短路保護。

2.2 控制思路

首先由安裝在母管上的壓力傳感器提供的管網(wǎng)壓力信號，通過通訊總線傳遞給控制器，控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)傳感器的采樣值與需求的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過控制器內(nèi)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制器根據(jù)處理結(jié)果向變頻器發(fā)送命令，控制變頻器的啟停和輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持供水管道的壓力恒定。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)工廠對恒壓供水系統(tǒng)的要求，規(guī)劃設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)，并選取相應(yīng)的硬件材料，進(jìn)行硬件設(shè)計。硬件系統(tǒng)主要由控制器、壓力傳感器、變頻器、水泵以及本地控制電路組成。選取1臺西門子PLC-300作為控制器，采用E+H壓力傳感器和兩臺丹佛斯系列變頻器控制兩臺11KW水泵。

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計

4.1 控制策略

壓力傳感器實時測量母管供水壓力，并通過通訊總線將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制器內(nèi)部程序會對母管實際壓力和目標(biāo)壓力進(jìn)行比較，而后生成變頻器的控制頻率。當(dāng)母管實際壓力高于目標(biāo)壓力時，控制頻率會逐步降低，使母管壓力下降，壓力差越大，頻率下降越快，壓力差越小，頻率下降越慢。當(dāng)母管實際壓力低于目標(biāo)壓力時，輸出頻率會逐步升高，壓力差越大，升高速度越快，壓力差越小，升高速度越慢。兩臺變頻器使用控制器輸出的同一頻率來進(jìn)行控制，并通過延時后穩(wěn)定的頻率數(shù)值來決定兩臺水泵的起停。

4.2 控制過程

在用水高峰期，用水量增大，管網(wǎng)壓力隨之下降，此時壓力的變化通過程序運算后，最終使變頻器輸出頻率增加，使水泵電機轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)達(dá)到或者超過49Hz時，并且延時30s后，第二臺水泵啟動，與第一臺水泵相同的頻率運行，如果此時用水量保持不變，兩臺水泵同時以高頻率供水，母管壓力將會升高，控制器通過運算后會降低輸出頻率，兩臺水泵由于采用同一頻率源，此時頻率會同時降低，保證供水壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量較少時，管網(wǎng)壓力將增加，壓力的變化通過PID運算后使變頻器輸出頻率下降，兩臺水泵頻率同時降低，當(dāng)長時間低于40Hz時，第二臺水泵自動退出運行，由單臺水泵進(jìn)行供水，保證供水壓力穩(wěn)定的同時，最大限度的節(jié)約能耗。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種采用同一頻率源控制的新型恒壓供水方法，雙泵能夠同時反應(yīng)，調(diào)控水壓能力強，反應(yīng)靈敏，并且具備水泵的自動投切功能，使雙泵能夠運行在高效率區(qū)間。避免了傳統(tǒng)控制方法導(dǎo)致的泵以較低頻率運行，能耗效率低，電機因散熱不足影響使用壽命問題。采用了西門子PLC-300控制器和PROFINET總線控制變頻器技術(shù)，設(shè)計、實現(xiàn)了閉環(huán)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。具有簡單實用、可靠性好、通用性強以及便于監(jiān)控維護等特點， 利用PROFINET總線實現(xiàn)樹形連接，有效提高通訊可靠性。通過多重保護報警程序的編寫實現(xiàn)了系統(tǒng)的高安全性。本設(shè)計在工廠中得到了實際應(yīng)用，取得了良好的使用效果。

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