變頻調(diào)速在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，尤其是在工業(yè)系統(tǒng)中，對(duì)供水系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能性、自適應(yīng)性提出了更高的要求。我國(guó)對(duì)電機(jī)變頻調(diào)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣，本文就變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和變頻調(diào)速原理作了介紹，并分析變頻恒壓供水系統(tǒng)組成，闡述了電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的重要性。

關(guān)鍵詞:供水系統(tǒng)變頻調(diào)速PLC

中圖分類號(hào):TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098x(2011)08(b)-0106-01

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高;再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。系統(tǒng)采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸，然后用PID對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，該變頻恒壓供水系統(tǒng)可運(yùn)用于許多實(shí)際的供水控制系統(tǒng)中，并能夠取得穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果和良好的節(jié)能效果。

1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，它是將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作。國(guó)內(nèi)在變頻恒壓供水系統(tǒng)中主要是用變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制。

可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。

2 變頻調(diào)速原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門(mén)等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為:n=60f(1-S)/p。從此式可知，當(dāng)電機(jī)電極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速，都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速只有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。

3 變頻恒壓供水系統(tǒng)組成

在此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，主要由PLC、變頻調(diào)速器、軟啟動(dòng)器、壓力變送器、水位傳感器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外還包括空氣開(kāi)關(guān)、斷路器、接觸器和中間繼電器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、電機(jī)和PLC的有效保護(hù)，以及對(duì)電機(jī)的切換控制。PLC和變頻器作為系統(tǒng)控制的核心，根據(jù)給水母管壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，自動(dòng)控制給水泵的投人臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。其中控制參量的PID算法可消除控制參量的靜態(tài)誤差、突變、滯后等現(xiàn)象，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間。

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報(bào)警裝置等部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。信號(hào)檢測(cè)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，水壓信號(hào)是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào);液位信號(hào)是反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵因空抽而損壞電機(jī)和水泵;報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

供水控制系統(tǒng)包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制;變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制;電控設(shè)備是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換及就地/集中等工作。

4 系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 自動(dòng)運(yùn)行功能

開(kāi)關(guān)接通后，水泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從OHz上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，如用水量減小(壓力過(guò)大)，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動(dòng)的水泵先切除。若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī):待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng)水泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 恒壓控制功能

生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行。遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng)PLC的擴(kuò)展模塊PID運(yùn)算送給變頻器，并給出信號(hào)直接控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運(yùn)行的水泵全速運(yùn)行，還未達(dá)到給定壓力時(shí)，變頻運(yùn)行的水泵被切換到工頻運(yùn)行，變頻器將啟動(dòng)另一臺(tái)泵(即采用軟啟動(dòng))。

4.3 系統(tǒng)保護(hù)功能

系統(tǒng)可以對(duì)工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生，運(yùn)行的水泵在斷開(kāi)電源后，利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻，可避免切換過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電流。電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流可能超過(guò)額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。

5 結(jié)語(yǔ)

恒壓供水系統(tǒng)以PLC和變頻器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助于PLC強(qiáng)大而靈活的控制功能和內(nèi)置PID的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制。本系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，節(jié)水節(jié)電效果顯著。系統(tǒng)的人機(jī)界面友好、使用方便，運(yùn)行方式靈活可靠，極大地方便了運(yùn)行人員的操作，降低了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件及主要技術(shù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，都實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，提高了生產(chǎn)效率。總之，該系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，節(jié)能效果顯著，節(jié)約了維修材料和費(fèi)用，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了噪音，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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