許燕妮

摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能、改善工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和便于自動控制等眾多優(yōu)勢，被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)節(jié)能方面應(yīng)用廣泛，但是如何根據(jù)實際情況綜合分析，設(shè)計出適合具體環(huán)境的控制系統(tǒng)，使之取得更好的應(yīng)用效果，值得深入探究。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù);供水系統(tǒng);校園

中圖分類號：TM921.5文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0091-03

Application Research of Frequency Conversion Speed Regulation Technology in Campus Water Supply System

XU Yanni

（Guangxi Electromechanical Engineering School，Nanning Guangxi 530001）

Abstract： Frequency conversion speed regulation technology has many advantages such as energy saving， improvement of process flow， improvement of product quality and easy automatic control， which is recognized as the most promising speed regulation method at home and abroad. Frequency conversion speed regulation technology is widely used in energy saving of water supply system， but how to design a control system suitable for specific environment according to the actual situation and make it achieve better application effect is worthy of further investigation.

Keywords： frequency conversion technology;water supply system;campus

校園用水的特點是時間集中，所以學(xué)校供水系統(tǒng)運行有峰谷時間。廣西機電工程學(xué)校每天06：00—07：30、17：00—19：30、21：30—23：00是用水高峰期，每到這個時候，用水量大，四樓以上的水壓往往不夠，嚴重影響學(xué)生的生活質(zhì)量，而學(xué)生上課期間用水量很小，管壓力幾乎為零。如果采用交流電動機恒速傳動的方案運行，依靠利用閥門調(diào)節(jié)的泵類設(shè)備，使用效率較低，能源浪費嚴重[1]。那么，怎樣設(shè)計一個供水系統(tǒng)，使之能夠根據(jù)用水的峰谷期自動調(diào)整系統(tǒng)運行方案，是值得探究的問題。

根據(jù)流體力學(xué)的基本定律[2-3]，水泵的轉(zhuǎn)速n與揚程H、流量Q及軸功率P之間的關(guān)系如下：

由此可見，水泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，揚程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當水泵轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率所需的電功率亦可相應(yīng)降低。由于軸功率（耗電）與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，假如n2/n1降低1/2，則P2/P1=1/8。也就是說，通過調(diào)速方式降低轉(zhuǎn)速，可大大降低軸功率，可以達到很好的節(jié)電效果。變頻調(diào)速技術(shù)是目前國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，如何應(yīng)用變頻高速技術(shù)改善供水系統(tǒng)的運行呢？

1 PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)由壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、水泵組、可編程控制器組成，如圖1所示。廣西機電工程學(xué)校供水系統(tǒng)有三臺水泵電動機，可以運用變頻器對三臺水泵電動機進行變頻調(diào)速。人們運用壓力傳感器檢測當前總管壓力，送入PID調(diào)節(jié)器與設(shè)定值比較后進行PID運算，運算結(jié)果送入變頻器，控制變頻器的輸出電壓頻率，從而改變水泵轉(zhuǎn)速和供水量，最終保持管網(wǎng)壓力在設(shè)定近似值，達到節(jié)能效果。系統(tǒng)泵前水壓為設(shè)定參數(shù)，當泵前水壓大于設(shè)定值時，利用直通電磁閥，直接給用戶供水;當泵前壓力小于設(shè)定值時，直通電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)啟動水泵，利用變頻器來改變水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵的流量和壓力。

2 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的組件主要有變頻器、其可編程控制器（PLC）和低壓控制電器。選用VVVF ECO功率7.5 kW變頻器調(diào)速器，采用德國西門子的S7-200系列 CPU224可編程控制器。

系統(tǒng)功能如下：系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，可實現(xiàn)自動、手動及待機狀態(tài);三臺水泵輪換成循環(huán)軟起動，水泵均衡工作，并能根據(jù)管網(wǎng)壓力自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速及工作臺數(shù);可根據(jù)實際需要，設(shè)定開、關(guān)機的時間;儲水池缺水時，自動停機保護;系統(tǒng)設(shè)有水泵運行狀態(tài)指示。

2.1 系統(tǒng)的主電路設(shè)計

PLC控制的變頻恒壓供水主電路如圖2所示。圖中，各符號含義如下。

QS表示電源總開關(guān);QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器和三臺電動機的自動空氣開關(guān)，控制變頻器和三臺電動機的電源;M1、M2、M3表示三臺15 kW電動機，分別帶動三臺水泵#1、#2、#3。

KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 是六個交流接觸器，其中，KM1、KM3、KM5控制M1、M2、M3三臺水泵的工頻運行，KM2、KM4、KM6控制M1、M2、M3三臺水泵的變頻運行;FR1、FR2、FR3是三個熱繼電器，分別作為M1、M2、M3三臺電動機的過載保護用;VVVF ECO為變頻調(diào)速器;PAC為遠傳壓力表。

2.2 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計

圖3系統(tǒng)控制電路圖中，SA為手動/自動切換開關(guān)。手動狀態(tài)是在應(yīng)急和檢修時臨時使用的，SA在手動狀態(tài)按下SB1～SB6可以控制三泵的起停。SA自動狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運行，自行控制三臺水泵的起停。HL1～HL10為各種運行指示燈，可以顯示三臺水泵的運行姿態(tài)。FR1、FR2、FR3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點，可以對電機實現(xiàn)過載保護。

2.3 水泵的投切方式分析

2.3.1 開始時1號泵啟動。1號泵轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率增加而上升，當變頻器頻率為50 Hz，水壓達到上限值時，1號泵延時一段時間切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，2號泵開始變頻啟動，如水壓仍不能滿足要求，則3號泵啟動。

2.3.2 開始時1號泵備用。若開始時1號泵備用，則直接啟動2號變頻，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50 Hz，此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2號泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，3號泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動1號泵。3臺泵（假設(shè)為1號、2號和3號）同時運行時，若總管道的出水壓力大于設(shè)定壓力，變頻器會下降，系統(tǒng)開始計時，如果一直維持在設(shè)定的減泵下限頻率以下，15 s內(nèi)，系統(tǒng)會以先投入先切除為原則自動減泵。

3 系統(tǒng)的軟件組成

系統(tǒng)采用的是德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列、型號為CPU224的PLC，如圖4所示。

3.1 CPU224 PLC規(guī)格參數(shù)

CPU224 PLC的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

3.2 系統(tǒng)的PLC接線圖

圖5為系統(tǒng)的PLC接線圖，有五路輸入信號：R01、R02兩路模擬量輸入為變頻調(diào)速器的兩個可編程繼電器的輸出，P1、P2、P3分別為水池高、中、低的水位信號。當水池水位達到高水位時，進水電磁閥關(guān)閉;當水位達到中水位時，進水閥打開;當水位達低水位時，水泵停止工作。有9路輸出信號：Q0.0～Q0.5分別控制KM1～KM6接觸器的工作，Q0.6控制進水電磁閥的開關(guān)，Q0.7控制缺水信號。DI1、DI2分別控制變頻器的運行和停止。

3.3 西門子CPU224 PLC編程軟件

CPU224 PLC采用西門子公司的STEP7 MicroWIN SP6 V4.0編程軟件，此軟件具有編程方便、畫面布局清晰、聯(lián)機調(diào)試功能強大等優(yōu)點。

4 系統(tǒng)的運用價值

本系統(tǒng)操投入運行以來，學(xué)校供水系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，調(diào)整方便，供水質(zhì)量顯著提高。用水高峰期，住高樓層的學(xué)生用水問題得到很好的解決，用水低谷期，節(jié)能降耗效果較好，據(jù)運行數(shù)據(jù)測算，噸水單耗省電達20%。因此，變頻調(diào)速技術(shù)非常具有推廣應(yīng)用價值。

參考文獻：

[1]周萬珍，高鴻賓.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]原魁，劉偉強.變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3]三菱電機株式會社.變頻調(diào)速器使用手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992.