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供水專用變頻器在泵站恒壓穩(wěn)壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1  引言

      傳統(tǒng)的生活及生產(chǎn)供水的方法是通過建造水塔維持水壓。但是，建造水塔需要花費(fèi)財力，水塔還會造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔來實現(xiàn)恒壓供水呢？當(dāng)然可以，但是要解決水壓隨用水量的大小變化的問題，通常的辦法是:用水量大時，增加水泵數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度以保持管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時又需做出相反的調(diào)節(jié)。這就是恒壓供水的基本思路。交流變頻器的誕生和PLC的運(yùn)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。

2  恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略

      采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號(4－20ｍＡ)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。

供水系統(tǒng)選用原則水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實際供水高度，水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。

3  泵站恒壓穩(wěn)壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成

      泵站恒壓穩(wěn)壓供水系統(tǒng)一般需要設(shè)多臺水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺電機(jī)及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的，電機(jī)選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電機(jī)維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機(jī)供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機(jī)配一臺相應(yīng)的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費(fèi)的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換的，供水運(yùn)行時，一臺水泵變頻運(yùn)行，其余的水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同的水量需求。

如圖為恒壓供水泵的水的構(gòu)成示意圖1。圖1中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低;用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。

泵站恒壓穩(wěn)壓供水系統(tǒng)供水泵的構(gòu)成  

      調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號，4-20mA變化的電流信號或0-10V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。

      用PLC代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié);它還控制水泵的運(yùn)行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機(jī)是輪換的工作。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵(主泵也是輪流擔(dān)任的)，主泵在運(yùn)行時達(dá)到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運(yùn)行。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。PLC同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由PLC承擔(dān)，如:手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。

4  PLC的模擬量擴(kuò)展單元的配置和選型

4.1  PLC模擬量擴(kuò)展單元的配置及應(yīng)用

      PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴(kuò)展單元。模擬量擴(kuò)展單元可以將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運(yùn)算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機(jī)外所需的模擬量。模擬量擴(kuò)展單元有單獨用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨用于數(shù)/模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模/數(shù)及數(shù)/模兩種功能的。如用S7-200系列PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中。

4.2  PLC系統(tǒng)的選型

      系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點6個、開關(guān)量輸出點12個;模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個。如果選用CPU224的PLC，也需要擴(kuò)展單元;如果選用CPU226的PLC，價格比較高，這樣形成的浪費(fèi)較大。因此參照西門子S7-200產(chǎn)品目錄及市場價格可知選用的主機(jī)為CPU222一臺，加上一臺數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM222，再擴(kuò)展一個模擬量模塊EM235。這樣配置是最為經(jīng)濟(jì)的。整個PLC系統(tǒng)的配置如圖2所示:

5  電控系統(tǒng)的原理設(shè)計

      電控系統(tǒng)的原理圖包括主電路圖、控制電路圖及PLC的外圍接線圖。

5.1  主電路設(shè)計

      如圖3為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺電機(jī)分別為M1，M2，M3。接觸器KM1，KM3，KM5分別控制電機(jī)M1，M2，M3的供頻運(yùn)行;接觸器KM2，KM4，KM6分別控制電機(jī)M1，M2，M3的變頻運(yùn)行;FR1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3分別為三臺水泵電機(jī)的過載保護(hù)的熱繼電器;QS1，QS2，QS3，QS4分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān);FU1為主電路的熔斷器;VVVF為通用變頻器。

5.2  控制電路設(shè)計

      圖4為電控系統(tǒng)控制的電路圖。SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置時候為手動控制狀態(tài);SA打在2的位置時候為自動控制狀態(tài);在手動運(yùn)行時，可用按鈕SB1~SB8控制三臺電機(jī)的起/停和電磁閥YV2的通/斷;自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。

控制電路圖

      圖中的HL10為自動運(yùn)行狀態(tài)時的電源指示燈。對變頻器的頻率進(jìn)行復(fù)位控制時只提供一個干觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共用的一個COM端，而系統(tǒng)本身又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。 

      圖4中的Q0.0－Q0.5及.Q1.0－Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點。在此可以看到在檢修是的控制原理和水泵在正常運(yùn)行是的控制原理一樣的，最終是通過控制接觸器的通與斷來控制水泵的啟動與停泵。

      在PLC控制時候與檢修時的控制最大的區(qū)別是，PLC可以通過變頻器來控制水泵的轉(zhuǎn)速從而達(dá)到對水壓的壓力控制，而檢修的目的是對機(jī)器的維護(hù)而不是控制水壓，因此不必通過對其轉(zhuǎn)速控制。

6  電控程序設(shè)計

6.1  泵站軟件的設(shè)計分析

(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作組數(shù)量的管理

      為了恒定水壓，那么在水壓降低時，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺水泵工作是不能滿足恒壓要求時，這時需要啟動第二臺或第三臺水泵。這樣有一個判斷標(biāo)準(zhǔn)來決定是否需要啟動新泵即為變頻器的輸出頻率是否達(dá)到所設(shè)定的頻率上限值。這一功能可以通過比較指令來實現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)濾去偶然因素所引起的頻率波動所達(dá)到的頻率上限值的情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波情況。

(2) 臺組泵站泵組的管理規(guī)范

      由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，有規(guī)定各臺水泵必須交替使用，那么多臺組泵站泵組的投入運(yùn)行需要有一個管理規(guī)范。在本次設(shè)計中控制要求中規(guī)定任意的一臺水泵連續(xù)運(yùn)行不得超過3h，因此每次需要啟動新泵或切換變頻泵的時候，以新運(yùn)行泵為變頻是合理的。具體的操作時，將現(xiàn)運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并且接上工頻電源加以運(yùn)行，同時將變頻器復(fù)位并且用于新運(yùn)行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，在本設(shè)計中所使用的是用泵號加1的方法來實現(xiàn)變頻器的循環(huán)控制即3加上1等于0的邏輯，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號來實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。

6.2  程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn)

      根據(jù)前面可知，PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可以分為三個部分:主程序、子程序和中斷程序。

      (1) 系統(tǒng)的初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能來實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。初始化子程序流程框圖如圖5。在初始化的子程序中僅僅在上電和故障結(jié)束時用，其主要的用途為節(jié)省大量的掃描時間加快整個程序的運(yùn)行效率，提高了PID中斷的精確度。上電處理的作用是CPU進(jìn)行清除內(nèi)部繼電器，復(fù)位所有的定時器，檢查I/O單元的連接。

      (2) 主程序流程圖如圖6。其功能最多，如泵的切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個恒壓值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70%，消防供水時系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90%。本系統(tǒng)中的增益和時間常數(shù)為:增益 Kc=0.25，采樣時間Ts=0.2s，積分時間Ti=30min。

      (3) 中斷程序如圖7，其作用主要用于PID的相應(yīng)計算，在PLC的常閉繼電器SM0.0的作用下工作，它包括:設(shè)定回路輸入及輸出選項、設(shè)定回路參數(shù)、設(shè)定循環(huán)報警選項、為計算指定內(nèi)存區(qū)域、指定初始化子程序及中斷程序。

7  結(jié)束語

      泵站恒壓穩(wěn)壓供水系統(tǒng)技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。

      水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，按設(shè)定的加速時間加速，避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。

      由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。正因為此，系統(tǒng)具有收回投資快，而長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大。

      在實際應(yīng)用中，采用PLC控制恒壓供水，還能容易地隨時修改控制程序，以改變各元件的工作時間和工作狀況，滿足不同情況要求。與繼電器或硬件邏輯電路控制系統(tǒng)相比，PLC控制系統(tǒng)具有更大的靈活性和通用性。