恒壓變頻供水系統(tǒng)的設計與研究

張 煒， 張 民， 董 雷

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

恒壓變頻供水系統(tǒng)的設計與研究

張 煒， 張 民， 董 雷

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

為了確保在生活生產(chǎn)和消防狀態(tài)下，供水系統(tǒng)能夠可靠高效地穩(wěn)定運行，設計一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術、PID調(diào)節(jié)和壓力傳感等技術的自動恒壓變頻供水系統(tǒng)。該供水系統(tǒng)可以根據(jù)用水負荷自動快速調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速和增減水泵電機投入運行的臺數(shù)來實現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)能夠保證當處于生活供水狀態(tài)時保持低恒壓值運行，而當處于消防供水狀態(tài)時保持高恒壓值運行。該系統(tǒng)選用西門子S7-200、風機水泵專用型變頻器MicroMaster430、壓力傳感器等，采用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進行測試。經(jīng)試驗表明，該供水系統(tǒng)能夠有效地避免人為操作復雜性和不可靠性，達到提升供水品質(zhì)和節(jié)能高效的目的。

恒壓變頻供水；可編程邏輯控制器PLC；變頻調(diào)速；水泵；PID控制

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提升, 對供水系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。目前市政管網(wǎng)依然承擔著為生活生產(chǎn)和消防滅火供水的重要任務。而且我國是一個嚴重干旱缺水的國家，水資源分布不均，人均淡水量僅為國際平均水平的四分之一。而且我國水資源污染問題不斷加劇，地下水超采現(xiàn)象和用水效率低下的問題頻繁發(fā)生，這些都使我國水資源的供需矛盾更加突出。

恒速供水方式不僅會導致水壓不穩(wěn)以及水錘現(xiàn)象的發(fā)生，對供水設備造成巨大損壞，產(chǎn)生強烈噪音，而且會耗費大量的電力資源。傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)存在著水泵在工頻狀態(tài)下頻繁啟停、對設備造成嚴重損壞、沖擊電網(wǎng)、自動化程度低、資源利用率低等諸多問題。

恒壓變頻供水系統(tǒng)正好可以很好地解決以上問題，伴隨著電力電子技術的飛速發(fā)展和PLC的廣泛應用，該供水系統(tǒng)也得到了不斷發(fā)展和逐步完善。本文設計的系統(tǒng)將以PLC為控制核心，以供水管網(wǎng)的壓力傳感器變送信號為反饋信號，結(jié)合變頻調(diào)速技術、PID控制與通信等技術實現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以根據(jù)用水負荷的變化自動快速調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速以及增減投入運行的水泵臺數(shù)來實現(xiàn)恒壓供水。而且在平時生產(chǎn)生活時保持低恒壓狀態(tài)，滿足生產(chǎn)生活用水高低峰的恒壓供水。當發(fā)生火災時，則處于消防狀態(tài)，管網(wǎng)壓力調(diào)整為高壓狀態(tài)，滿足消防滅火需求。

1 恒壓變頻供水系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設計的供水系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。其主要由以下元器件構(gòu)成：

(1)1臺西門子PLC S7-200，其CPU型號為224。由于PLC只能處理數(shù)字量，而水壓、電流、電壓等均為模擬量，故還應配備匹配此PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235與數(shù)字量輸出模塊EM222。PLC工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，編程簡單便捷，適用于諸多行業(yè)[1]。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

(2)3臺水泵，為防止1臺水泵長期獨自運行，具備定期“倒泵功能”，每當1臺持續(xù)運行3小時后便進行切換水泵的操作，防止水泵長期運行而減少其壽命。

(3)1臺西門子變頻器MicroMaster430，其為風機水泵專用型變頻器[2]。因為變頻器價格昂貴而且雖然共有3臺水泵但是運行時只有1臺水泵進行變頻調(diào)速，其余均為工頻運行，故只選用1臺就能滿足要求。

(4)1臺壓力傳感器，用來監(jiān)測管網(wǎng)壓力，并將其作為反饋信號閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速和投入運行的水泵臺數(shù)。

(5)熱繼電器、熔斷器與電磁閥等相關輔助元器件若干，其中熱繼電器(FR)利用電流熱效應用作水泵電機的過載保護，而熔斷器用于水泵電機的短路保護。

1.2 控制方式

(1)當旋鈕開關SA打到“手動”時 ，進入手動運行方式 。在此方式下，可以對任何一臺水泵直接工頻啟動和關停。人工手動操作繁瑣復雜，容易出錯。此方式主要用在設備初期調(diào)試和設備檢修巡檢時。

(2)當旋鈕開關SA打到“自動”時，進入自動運行方式。在此方式下，該供水系統(tǒng)可以自動根據(jù)用水量的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和水泵的運行臺數(shù)，使其達到最優(yōu)配置[3]。而且在此方式下，還能監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，發(fā)生故障時及時報警通知工作人員維修，增強了系統(tǒng)的可靠性。

2 供水系統(tǒng)工作原理

2.1 水池水位

液位指示器用于監(jiān)測水池水位情況，當液位低于最高水位H時，電磁閥YV1開啟，市政管網(wǎng)便向水池注水。當液位低于最低水位L時則停止水泵電機的運行，防止水泵空轉(zhuǎn)燒毀，發(fā)生事故。當液位高于最高液位H時，將電磁閥YV1關閉。

2.2 變頻調(diào)速原理

變頻器利用“AC-DC-AC”的方式采用電力電子元器件實現(xiàn)通斷，將電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電。其先將工頻交流電經(jīng)過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電，然后再將直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為電壓頻率均可調(diào)的交流電。

三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為n=60f(1-s)/p，式中,n為電動機轉(zhuǎn)速,s為轉(zhuǎn)差率,f為電源頻率,p為極對數(shù)。由該公式可知，當極對數(shù)不變時，電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，故調(diào)節(jié)電源頻率f便可平滑地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。

而轉(zhuǎn)矩T=kn2與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n3成正比，當轉(zhuǎn)速變?yōu)?/2時,轉(zhuǎn)矩則為1/4,而功率P減為1/8[3]。根據(jù)相關部門的統(tǒng)計，供水系統(tǒng)70%以上的電能用在了水泵上[4]，可見采用變頻器調(diào)速可以極大地減少供水系統(tǒng)的電能消耗。而且如果水泵直接啟動，啟動電流能達到額定電流的5～8倍，對電網(wǎng)造成劇烈沖擊，而變頻啟動可以很好地解決這個問題。

2.3 PID調(diào)節(jié)

壓力傳感器將水壓變送成電流或者電壓信號，再經(jīng)模擬量輸入輸出模塊EM235將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號與給定值進行比較，得到偏差信號Δx經(jīng)P(比例)、I(積分)和D(微分)環(huán)節(jié)得到頻率信號，控制變頻器變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

比例調(diào)節(jié)P是按Δx的值進行比例放大，偏差越大，調(diào)節(jié)速度越快，但由于慣性原因容易發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，故比例調(diào)節(jié)不能單獨使用。積分調(diào)節(jié)I可以減緩調(diào)速過快的問題，減少超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。微分調(diào)節(jié)D根據(jù)Δx的變化率(dx/dt)進行調(diào)節(jié)[5]。比例、積分與微分共同構(gòu)成PID調(diào)節(jié)，確保管網(wǎng)水壓恒定。系統(tǒng)閉環(huán)控制如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖

2.4 增泵功能

下面以1#泵正在變頻運行，其余2臺水泵停止運行為例說明增泵功能。當用水量增多，管網(wǎng)壓力減小，促使變頻器加大頻率，1#水泵轉(zhuǎn)速升高，管網(wǎng)壓力增大。如果當變頻器增大到50 Hz時，管網(wǎng)壓力依舊達不到要求，為防止頻繁啟停水泵對管網(wǎng)和水泵造成損壞，延時5 s再監(jiān)測管網(wǎng)壓力，若仍達不到給定壓力則工頻啟動1#水泵，2#水泵變頻從0 Hz啟動。如果當2#水泵頻率到達50 Hz后，管網(wǎng)壓力仍未達到給定值，則延時5 s監(jiān)測管網(wǎng)壓力，若管網(wǎng)壓力仍不符合要求則將2#水泵工頻啟動，將變頻器切換到3#水泵，從0 Hz開始變頻調(diào)速。當3臺水泵都處于滿負荷運行，管網(wǎng)壓力仍低于給定值，說明有可能供水管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏問題，應及時修復。由1#水泵變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?#水泵工頻運行、2#水泵變頻運行流程圖如圖3所示。

圖3 增泵功能演示流程圖

2.5 減泵功能

下面以3#水泵變頻運行，1、2#水泵工頻運行為例說明減泵功能。當用水量減少時，變頻器減小頻率，3#水泵轉(zhuǎn)速減小，管網(wǎng)壓力下降。

當變頻器頻率減小到0 Hz時，管網(wǎng)壓力仍大于給定值，延時5 s再次監(jiān)測管網(wǎng)壓力。若管網(wǎng)壓力依然大于給定值，則將3#水泵關停，將2#水泵切換至變頻調(diào)速模式。若用水量進一步減少，而變頻器頻率已經(jīng)降至0 Hz時管網(wǎng)壓力還大于給定值，則延時5 s。之后再次監(jiān)測管網(wǎng)壓力，若依然大于給定值則將2#水泵關停，1#水泵切換至變頻調(diào)速狀態(tài)。3#關停流程圖如圖4所示。

圖4 減泵功能演示流程圖

2.6 生活/消防分隔

該供水系統(tǒng)是生活與消防共用供水系統(tǒng)，在生活生產(chǎn)中，管網(wǎng)壓力處于低恒壓狀態(tài)，當火災發(fā)生時處于高恒壓狀態(tài)，確保消防有足夠的流量和揚程。其占地面積小，效率高，可以減少對設備的損耗，極大地減少投資成本，但是對供電電源的要求更高。該供水系統(tǒng)應采用雙電源供電，當一電源發(fā)生故障時，另一電源便投入使用，并在末端切換。

為了確保在消防狀態(tài)下該供水系統(tǒng)能夠確實發(fā)揮滅火作用，以及防止水流倒流，污染水源，應在消防管網(wǎng)和生活管網(wǎng)之間增加一個電磁閥，將兩者隔離開，形成兩個獨立的供水系統(tǒng)[6]。

3 上位監(jiān)控系統(tǒng)

本文設計的供水系統(tǒng)中，上位監(jiān)控系統(tǒng)釆用昆侖通泰觸摸屏，主要任務是實時顯示現(xiàn)場設備的運行情況，并對故障及時報警，通過PLC控制以實現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。而PLC的主要任務是收集現(xiàn)場信號，實現(xiàn)對變頻器、電磁閥與繼電器等設備的控制，以及通信數(shù)據(jù)的交換。

通用監(jiān)控系統(tǒng)(Monitor and Control Generated System，MCGS)是一套基于Windows平臺由北京昆侖通態(tài)自動化科技有限公司開發(fā)，可用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。其功能完善，操作便捷，可視性與可維護性良好，在國內(nèi)應用十分廣泛。

MCGS組態(tài)軟件所建立的工程主要由以下五方面組成，分別是主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略，如圖5所示。

圖5 MCGS功能構(gòu)成圖

用戶窗口共有4項，即恒壓變頻供水系統(tǒng)，恒壓變頻供水系統(tǒng)實時曲線，恒壓變頻供水系統(tǒng)歷史曲線以及退出提示，用戶界面窗口如圖6示。

圖6 用戶窗口

監(jiān)控系統(tǒng)使用上位機的串行接口與PLC的編程口相連接，從而達到控制PLC的目的。本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)是通過RS-232線讀取PLC數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了與西門子S7-200的連接，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。

4 結(jié)論

本文設計的恒壓變頻供水系統(tǒng)以PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術、PID調(diào)節(jié)、壓力傳感等技術，依據(jù)用水負載變化實現(xiàn)生活/消防共用恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動化程度高，運行安全穩(wěn)定，節(jié)能高效，控制簡單便捷，動態(tài)響應迅速，壓力波動變化小，占地面積小，而且可以有效減少水錘現(xiàn)象，延長設備的使用壽命，減少直接啟動大電流對電網(wǎng)的污染，對提高和改善供水品質(zhì)有重要的實用價值和現(xiàn)實意義。

圖7 恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)界面

[1] 西門子(中國)有限公司.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].北京：西門子(中國)有限公司，2008.

[2] 西門子(中國)有限公司. MICROMASTER 430 通用型變頻器使用大全[Z]. 北京：西門子(中國)有限公司,2003.

[3] 曹錦梅,王明輝.基于PLC與變頻調(diào)速的恒壓供水/消防控制系統(tǒng)的設計與分析[J].機電工程技術,2007,36(9):48-49,66.

[4] 王軍偉.基于PLC控制的變頻調(diào)速雙恒壓系統(tǒng)簡介[J].山西科技,2010,25(5):97-98.

[5] 王恩義,羅先喜,王甲甲，等.基于PID算法的智能溫控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用,2014,33(12):18-20,24.

[6] 趙小惠,趙小娥.基于可編程控制器的恒壓供水系統(tǒng)設計[J].機電工程技術,2007,36(2):18-20.

Design and study of constant pressure frequency conversion water supply system

Zhang Wei, Zhang Min, Dong Lei

(College of Automation Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266520,China)

In order to ensure the stable operation of the water supply system in the life and fire control , the constant pressure frequency conversion water supply system was designed ,which uses PLC(Programmable Logic Controller) as the core controller, combined with VVVF PID adjustment and pressure sensing technology. The water supply system automatically adjusts the speed and quantities of pump motor according to the flow changes ,which ensure the system maintain a low constant pressure state in life and a high constant pressure state in fire control. The water supply system was composed of Siematic S7-200，Siematic MICROMASTER430 and the pressure sensor ,which uses the MCGS (Monitor and Control Generated System) configuration software to test this system. The experimental researches reveal that the water supply system can effectively avoid the complexity and unreliability of the manual operation ,and can achieve the purpose of improving water quality and energy efficiency.

constant pressure water supply; PLC;VVVF ;water pump; PID control

TP29

A

1674-7720(2016)05-0036-04

張煒，張民，董雷. 恒壓變頻供水系統(tǒng)的設計與研究[J].微型機與應用，2016,35(5)：36-39.

2015-11-04)

張煒(1993-)，通信作者，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化。E-mail：1548320619@qq.com。

張民(1964-)，女，碩士生導師，主要研究方向：電氣自動化。

董雷(1993-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化。