一種基于RS485通信的變頻恒壓供水系統的設計

嚴春平，龔素文，熊望志

（九江職業技術學院，江西 九江332007）

隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水品質和供水系統的可靠性要求不斷提高。衡量供水品質的重要標準之一是供水壓力的恒定性。由于用戶用水量是經常變動的，因此用水和供水之間的不平衡現象時有發生，并且集中反映在供水的壓力上，表現為：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。

變頻恒壓供水系統是現代建筑中普遍采用的一種水處理系統，因其節能、安全、供水高品質等優點，得到了廣泛應用，變頻恒壓供水系統可依據用水量的變化（實際上為供水管網的壓力變化）自動調節系統的運行參數，保持水壓恒定，以滿足用水要求。隨著變頻調速技術的發展和人們節能意識的不斷增強，變頻恒壓供水系統的節能特性使得其越來越廣泛應用于住宅小區、高層建筑的生活及消防供水系統[1]。

目前常用的變頻恒壓供水系統采用的方式是通過變頻器的外部端口來進行控制，該控制方式連接線路較多，出故障的概率較大。PID運算由變頻器完成，不能進行靈活的參數調節。采用RS485通信的控制方式，能避免以上問題的出現。

1 變頻調速運行的節能原理

在工業和生活給水系統中，應用最多的是離心式水泵，離心式水泵的特性曲線見圖1，而圖2是供水管網的阻力曲線。

圖1中，橫坐標表示流量Q，縱坐標表示水泵的揚程曲線H.圖中的曲線P代表水泵的功率，η代表水泵的效率。圖2中，曲線DE表示供水管網的阻力曲線。

圖1 離心泵的特性曲線

圖2 供水管網的阻力曲線

水泵變頻調速運行時的曲線如圖3所示。泵的特性曲線與管道性能曲線DE的交點A0即為泵正常使用時的工作點。

圖3 水泵變頻調速時的H-Q曲線

節流控制是通過改變裝在管道上的閥門或擋板的開度，使閥門對供水的摩擦阻力變大，反映到圖3中，阻力曲線從DE移到DE'，揚程則從H0升到H1，流量由Q0減小到Q1，運行工況點從A0點移動到A1點。

變頻調速控制是在管網性能曲線不變的情況下，通過改變泵的工作轉速，使其性能曲線變化，從而變更運行工作點來實現調節。泵的特性曲線取決于電機的轉速，如果把速度從n變為n'，工況點將從A0點移到A2點，揚程將從H0降到H2，流量將從Q0減小到Q1，與用節流控制時輸出的流量相同。

揚程（H）、流量（Q）、轉速（n）和軸功率（P）之間存在如下的關系：

其中，K1、K2、K3、K 為常數。由上式可以看出，當水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，一般應用變頻器節電率為20%~50%，效益顯著。

2 變頻恒壓供水系統

變頻恒壓供水控制系統的一般原理為：根據用戶設定的目標壓力，采用一個壓力傳感器（反饋為4~20 mA或0~10 V）檢測管網中的實際壓力，壓力傳感器將信號經過采集回路（如A/D轉換模塊）送入控制器（如PLC）進行信號處理。將實際壓力與目標壓力作對比，實際壓力高于目標壓力，變頻器降速運行；實際壓力低于目標壓力，變頻器升速運行。通過控制變頻電機的轉速，使實際管網壓力與設定目標壓力相一致。

2.1 系統的組成

變頻恒壓供水系統的組成見圖4.該系統以三菱FX2N PLC為控制器，通過485BD模塊對變頻器進行控制。恒壓供水的基本思路是：通過HMI人機界面對系統任意設定供水壓力值，通過壓力變送器檢測出管網的實際壓力，通過AD模塊采集后送入PLC控制器，由PLC進行PID運算后，最后通過485BD模塊完成對變頻器的調速控制，以調節水泵的運行速度，從而調節系統的供水壓力[2-3]。PLC的參數設置如圖5所示，PLC程序流程圖如圖6所示。本系統采用的變頻器是三菱FR-E740經濟型高性能變頻器，其參數設置如表1所示。

圖4 變頻恒壓供水系統的組成

圖5 PLC參數設置圖

圖6 程序流程框圖

表1 三菱變頻器E740參數設定表

2.2 RS485通信參考程序

PLC與變頻器之間通過RS485通信的參考程序如圖7~圖10所示。在圖10的程序圖中，數據寄存器D1的數值，是由PLC通過PID運算后得出的值。

圖7 通信主程序

圖8 變頻器啟動子程序

圖9 變頻器停止子程序

圖10 修改變頻器頻率子程序

3 結束語

基于RS485通信方式的變頻恒壓供水系統的設計，為變頻恒壓供水系統設計提供了一種新的思路。采用該通信方式后，改變了傳統的利用變頻器外部端口進行PID控制的方式，使得PID運算由PLC來完成，通過PLC編程，可以對PID運行的參數進行修改，使得該控制方式更加靈活，及時適應新的變化。并且，減少了外部端口的線路連接，不僅能提高通信的可靠性，也能減少出故障的概率。

通過對變頻器的設置以及PLC程序的詳細分析設計，為該方法的可行性提供了技術保障。采用變頻調速系統后，改變了傳統的控制方式，實現了生產過程自動化，閉環控制系統能適應水量變化，實現在線調整，保證管網末端壓力恒定，提高供水質量。

[1]張燕賓．SPWM變頻調速應用技術[M]．北京：機械工業出版社，2002.

[2]姜興忠，戴恒陽．變頻恒壓供水系統的機理分析[J]．電氣傳動自動化，2002，（4）：9-11.

[3]廖常初．PLC編程及應用[M]．北京：機械工業出版社，2002.