恒壓供水變頻調速控制系統設計

白曉君

摘 要 本文分析了供水系統的3種傳統控制方案，提出了變頻調速恒壓供水控制方案，分析了供水系統的元件構成，研究了變頻調速的控制原理，選擇了變頻器和遠傳壓力表等關鍵部件，設計了恒壓供水變頻調速系統的電路原理圖，實現了變頻、低功耗、安全供水。

關鍵詞 恒壓供水；變頻器；調速

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）172-0209-02

供水控制是節能降耗、體質增效的關鍵系統，能夠對工業用水、生活用水實施科學調控，提高水資源的利用效率[1，2]。隨著人口數量的增加、工業生產規模的擴大，水資源日益成為緊缺資源，大力提倡節約用水成為全社會共識。一方面，需要大力普及節約用水觀念，降低人為浪費水資源；另一方面，要不斷進行技術創新，實現水資源的精量使用。因此，采用變頻控制技術[3]，對傳統供水系統進行自動化改造，對降低用水成本、提高用水效率具有重要技術價值和社會效益。

1 方案設計

供水系統的控制方案主要有3種，即恒速泵供水、高位儲水供水和氣壓罐供水[4-6]，其中，恒速泵供水是利用速度不變的水泵實時提供輸水動力，當達到用水需求時，需要關閉水泵，當再次用水時，需要再次開啟水泵，頻繁開啟、關閉水泵，耗電量較大，影響局部電壓穩定，故此種供水系統應用較少。高位儲水則是擴大或延長水泵的工作時間，利用恒速水泵不斷向儲水池供水，利用儲水池實現用水備存，同時，減小水泵的開啟、關閉頻率，然而，高位儲水泵需要建設較大的高位儲水裝置，占用空間大，造價成本高，在實際工程中應用較少。氣壓罐供水與高位儲水供水的控制原理相同，區別在于，水泵的動力通過氣壓泵儲存在氣罐中。

本文設計的供水系統擬采用變頻控制原理，同時利用水壓傳感器測試供水管路的壓力信號，利用PID進行水壓與電動機頻率之間的信號變化，利用可編程控制器實時調整電動機的作業頻率。通過改變電動機作業頻率，實現水泵轉速隨水壓變化而調節，達到節約電能、電動機連續作業、動力與供水動態調整的目的。

2 恒壓供水變頻調速控制系統的構成

2.1 系統構成

基于變頻器進行恒壓供水的控制系統構成如圖1所示，供水的動力元件主要包括水泵1、水泵2和水泵3，其中，水泵3起到輔助供水作用；水泵的作業調節元件為變頻器，供水系統的信號采集及調控元件為PID控制器，供水系統的邏輯換算元件為可編程控制器，此外，在本系統設計中，用上位機作為監控器，用遠傳壓力表作為供水系統末端的壓力采集元件。

2.2 系統工作原理

壓力傳感器分布在供水系統末端的管網中，當供水系統水源不足時，管網中的壓力隨之減小，壓力傳感器檢測到的電壓信號減弱，并將電壓信號傳遞到PID控制中，控制器將接收到的電信號傳遞到可編程控制器，經過邏輯運算后得到反饋信號，將反饋的電信號傳遞給水泵的變頻器，通過變頻器調節水泵的轉速，改善供水系統的動力狀態，使供水系統處于供水工況，隨著供水啟動，供水系統壓力逐漸升高，升高的壓力信號實時被壓力傳感器采集，整套供水系統處于動態平衡調節中。

3 恒壓供水變頻調速控制系統的設計

3.1 變頻調速選型

變頻器是一種電壓頻率變換器，即將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續可調的交流電，以供給電動機運轉的電源裝置。它在變頻調速恒壓供水系統中起著非常重要作用，是水泵電機調速的執行者。

變頻調速原理如公式1所示，當電機的轉差率和磁極對數固定時，通過改變電源頻率，實現電機轉速的調整。

n=60f（1-s）/p （公式1）

其中，n表示電機轉速；f表示電源頻率；s表示電機轉差率；p表示電機磁極對數。

變頻器的選用，需要綜合考慮輸入側額定值、輸出側額定值、額定輸出容量等。變頻器容量的選擇，一般根據負載性質及大小。變頻器的控制方式主要有恒轉矩負載、恒功率負載、二次方律負載3種。本系統設計中，綜合考慮異步電動機的額定電流及變頻器容量，選擇西門子MicroMaster430型變頻器，co-trustS7-200系列中的CPU224，其輸入頻率為47Hz～63Hz，輸出頻率未0Hz～650Hz，功率因數為0.98，變頻器效率為96%～98%，防護等級為IP20。

3.2 可編程控制器選型

可編程控制器（PLC）是恒壓供水變頻調速控制系統的核心部件，PLC容量是指I/O點數的數量，點數太多容易提高部件成本，點數太少導致余量不足，通常綜合考慮被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數，余量按照10%～15%的空間預留。本系統設計中，1路壓力模擬量輸入，1路電壓模擬量輸出，故選用TD200系列西門子變頻器。

3.3 壓力傳感器

本系統設計中，供水系統的壓力信號采集需通過壓力傳感器，故選擇了YTZ-150型電位器式遠傳壓力表，該電阻遠傳壓力表適用于測量對銅合金不起腐蝕作用的液體、蒸汽和氣體等介質的壓力。電阻遠傳壓力表，可把被測值以電量值傳至遠離測量點的二次儀表上，以實現集中檢測和遠距離控制。此外，本儀表能就地指示壓力，以便于現場工藝檢查。起止電阻值為3Ω～20Ω，滿度電阻值為340Ω～400Ω，工作電壓≤6V。

3.4 電路圖設計

根據恒壓供水的使用要求和變頻器、可編程控制器的工作原理，設計本系統的電路圖，如圖2所示。圖中，M1，M2，M3為3臺水泵電機，KM為相應電機的接觸器，FR為相應電機的熱繼電保護器，QF為空氣開關。從圖2中可以清晰看到，3臺電機的控制原理相同，均由接觸器和熱繼電保護器控制，實現小電流控制大電流，提高電機的使用安全性。變頻器改變三臺電機的供電頻率，實現電機轉速的自動調節，通過電動機轉速的無極調節，實現供水系統水壓的動態穩定，達到恒壓供水目的。在此電路圖中，當供電系統無需調速控制時，可直接對3臺電機進行調節。

4 結論

本文對恒壓供水系統進行了關鍵部件選型和控制系統電路原理圖設計，恒壓供水變頻調速系統的核心部件是變頻器和遠傳壓力表，恒壓供水系統中變頻器選用西門子MicroMaster430型，遠傳壓力表為YTZ-150型，電路原理圖設計實現了1個變頻器控制3臺水泵，通過遠傳壓力表和變頻器實現了恒壓供水。該控制系統結構簡單，成本較低，安全性能較好，比較適應當前供水系統的電氣化改造現狀。

參考文獻

[1]鄭偉.基于PLC的變頻恒壓供水系統在洗煤廠的應用[J].機械管理開發，2016（7）.

[2]姜宏.淺談恒壓供水系統[J].科技創新與應用，2016（22）.

[3]金昊.無級變頻調速在恒壓供水系統中的應用[J].電腦知識與技術，2016（15）.

[4]梁慶燊.試論水廠PLC變頻恒壓供水技術的應用[J].中國高新技術企業，2016（5）.

[5]楊揚.PLC變頻調速恒壓供水在供水系統中的實踐[J].科技與創新，2016（3）：104-105.

[6]孫永偉.恒壓供水系統的分層控制[J].自動化與儀器儀表，2016（1）.