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供水專用變頻器在泵站恒壓穩壓供水系統中的應用

 

1  引言

      傳統的生活及生產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恒壓供水呢？當然可以，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，增加水泵數量或提高水泵的轉動速度以保持管網中的水壓不變，用水量小時又需做出相反的調節。這就是恒壓供水的基本思路。交流變頻器的誕生和PLC的運用為水泵轉速的平滑性連續調節提供了方便。

 

2  恒壓供水控制系統的基本控制策略

      采用電動機調速裝置與可編程控制器(PLC)構成控制系統，進行優化控制泵組的調速運行，并自動調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發出控制指令，控制泵電動機的投運臺數和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現的工業過程的閉環控制。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定的壓力值進行比較，并通過變頻器內置PID運算將結果轉換為頻率調節信號調整水泵電機的電源頻率，從而實現控制水泵轉速。

供水系統選用原則水泵揚程應大于實際供水高度，水泵流量總和應大于實際最大供水量。

 

3  泵站恒壓穩壓供水系統的基本構成

      泵站恒壓穩壓供水系統一般需要設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應的會不足。而且水泵與電機維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉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供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。

如圖為恒壓供水泵的水的構成示意圖1。圖1中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，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變為電流或電壓的變化送給調節器。

 

泵站恒壓穩壓供水系統供水泵的構成  

      調節器是一種電子裝置，它具有設定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網水壓的實測值、根據給定值與實測值的綜合依一定的調接規律發出的系統調接信號等功能。調節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，用于驅動執行器設備工作。在變頻器恒壓供水系統中，執行設備就是變頻器。

      用PLC代替調節器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作為恒壓供水系統的主要控制器，其主要任務就是代替調節器實現水壓給定值與反饋值的綜合與調節工作，實現數字PID調節;它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設備均勻的磨損，水泵及電機是輪換的工作。如規定和變頻器相連接的泵為主泵(主泵也是輪流擔任的)，主泵在運行時達到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運行。PLC則是泵組管理的執行設備。PLC同時還是變頻器的驅動控制。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，輸出端送出經給定值與反饋值比較并經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，如:手動、自動操作轉換，泵站的工作狀態指示，泵站的工作異常的報警，系統的自檢等等。

 

4  PLC的模擬量擴展單元的配置和選型

4.1  PLC模擬量擴展單元的配置及應用

      PLC的普通輸入輸出端口均為開關量處理端口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可以將外部模擬量轉換為PLC可處理的數字量及將PLC內部運算結果數字量轉換為機外所需的模擬量。模擬量擴展單元有單獨用于模/數轉換的，單獨用于數/模轉換的，也有兼具模/數及數/模兩種功能的。如用S7-200系列PLC的模擬量擴展模塊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系統的選型

      系統共有開關量輸入點6個、開關量輸出點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，也需要擴展單元;如果選用CPU226的PLC，價格比較高，這樣形成的浪費較大。因此參照西門子S7-200產品目錄及市場價格可知選用的主機為CPU222一臺，加上一臺數字量擴展模塊EM222，再擴展一個模擬量模塊EM235。這樣配置是最為經濟的。整個PLC系統的配置如圖2所示:

5  電控系統的原理設計

      電控系統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  主電路設計

      如圖3為電控系統的主電路圖。三臺電機分別為M1，M2，M3。接觸器KM1，KM3，KM5分別控制電機M1，M2，M3的供頻運行;接觸器KM2，KM4，KM6分別控制電機M1，M2，M3的變頻運行;FR1，FR2，FR3分別為三臺水泵電機的過載保護的熱繼電器;QS1，QS2，QS3，QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關;FU1為主電路的熔斷器;VVVF為通用變頻器。

5.2  控制電路設計

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

 

控制電路圖

      圖中的HL10為自動運行狀態時的電源指示燈。對變頻器的頻率進行復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的觸點對變頻器進行復位控制。 

      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別是，PLC可以通過變頻器來控制水泵的轉速從而達到對水壓的壓力控制，而檢修的目的是對機器的維護而不是控制水壓，因此不必通過對其轉速控制。

 

6  電控程序設計

6.1  泵站軟件的設計分析

(1) 由“恒壓”要求出發的工作組數量的管理

      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。這樣有一個判斷標準來決定是否需要啟動新泵即為變頻器的輸出頻率是否達到所設定的頻率上限值。這一功能可以通過比較指令來實現。為了判斷變頻器的工作頻率達到上限的確定性，應濾去偶然因素所引起的頻率波動所達到的頻率上限值的情況，在程序中應考慮采取時間濾波情況。

(2) 臺組泵站泵組的管理規范

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

6.2  程序的結構及程序功能的實現

      根據前面可知，PLC在恒壓供水系統中的功能比較多，由于模擬量單元及PID調節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，這樣可以節省掃描時間。利用定時器中斷功能來實現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束時用，其主要的用途為節省大量的掃描時間加快整個程序的運行效率，提高了PID中斷的精確度。上電處理的作用是CPU進行清除內部繼電器，復位所有的定時器，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字式方式直接在程序中設定的。生活供水時系統設定為滿量程的70%，消防供水時系統設定為滿量程的90%。本系統中的增益和時間常數為: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的相應計算，在PLC的常閉繼電器SM0.0的作用下工作，它包括:設定回路輸入及輸出選項、設定回路參數、設定循環報警選項、為計算指定內存區域、指定初始化子程序及中斷程序。

 

7  結束語

      泵站恒壓穩壓供水系統技術因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水泵轉速改變水泵出口壓力，比靠調節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，泵轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。實現恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。

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

      由于變量泵工作在變頻工作狀態，在其運行過程中其轉速是由外供水量決定的，故系統在運行過程中可節約可觀的電能，其經濟效益是十分明顯的。正因為此，系統具有收回投資快，而長期受益，其產生的社會效益也是非常巨大。

      在實際應用中，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相比，PLC控制系統具有更大的靈活性和通用性。