現代小區節能供水設計

顧娟

摘 要：本系統介紹了一種基于舊式水塔供水的PLC控制的恒壓供水系統的結構及工作原理。通過傳感器與PID調節來實現閉環控制，系統采用變頻調速方式自動調節水泵電機轉速或加、減泵，自動完成泵組軟啟動及無沖擊切換，使水壓平穩過渡。

關鍵詞：PLC；變頻器；PID調節器

在工業生產和日常生活中，變頻調速控制是很常見的，特別是在供水領域的運用已經很普遍，大到自來水廠，小到一幢住宅樓。采用恒壓供水大大的提高了供水的品質，但是由于很多住宅用的供水系統仍是舊式的，在進行新系統改造時會遇到一些理論上預料不到的情況。本系統充分考慮舊設備的運行情況，對其進行改造，提高了系統的利用率。

1 系統介紹

變頻恒壓供水系統原理如圖1所示，它主要是由PLC、變頻器、PID調節器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及4臺水泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉換開關來了解和控制系統的運行。

通過安裝在出水管主網上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4-20mA的標準信號送入PID調節器，經運算與給定壓力參數進行比較，得出一調節參數，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉速，調節系統供水量，使供水系統管網中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過PLC控制器加泵。根據用水量的大小由PLC控制工作泵數量的增減及變頻器對水泵的調速，實現恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構成了以設定壓力為基準的閉環控制系統。

此外，系統還設有多種保護功能，尤其是硬件/軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統的正常供水。

正常情況（無泵檢修）時，各泵的運行順序為1#，2#，3#，4#。

2 工作原理

2.1 運行方式

該系統有手動和自動兩種運行方式：

⑴. 手動運行

按下按鈕啟動或停止水泵，可根據需要分別控制1#-4#泵的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。

⑵. 自動運行

合上自動開關后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0Hz上升，同時PID調節器接收到自壓力傳感器的標準信號，經運算與給定壓力參數進行比較，將調節參數送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升到50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟2#變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減小，從先啟的泵開始減，同時根據PID調節器給的調節參數使系統平穩運行。

3 泵組工作的切換

泵組的切換，開始時，1#泵變頻啟動，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間（避免由于干擾而引起誤動作）后，1#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，2#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3#、4#泵，泵的切換過程同上；若開始時1#泵備用，則直接啟2#變頻，轉速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達50Hz而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2#泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由50Hz滑停至0Hz，3#泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4#泵，泵的切換過程同上；若1#、2#泵都備用，則直接啟3#變頻，具體泵的切換過程與上述類同。

4 PLC控制系統

PLC選用SIEMENS公司的S7-200系列：由CPU226XP、DI/DO模塊、AI/AO模塊組成。PLC作為控制單元，是整個系統的控制核心。其主要的作用要體現以下幾方面：①完成對系統各種數據的采集以及數字量與模擬量的相互轉換。②完成對整個系統的邏輯控制及PID調節的運算。③將PID運算的數據結果轉換成模擬信號，作為調節變頻器的輸出頻率的控制信號。④通過通信電纜及USS4協議完成對變頻器內部參數讀寫及控制。為了提高整個系統的性價比，該系統采用開關量的輸入/輸出來控制電機的啟停、定時切換、軟起動、循環變頻及故障的報警等，而電機轉速、水壓量等模擬量則由PID調節器和變頻器來控制。

5 變頻器、傳感器控制系統

5.1 利用PID調節方式

變頻調速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調速驅動技術，它以其獨特優良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業中，由于生產安全和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調速技術在本系統也得到了更加深入的應用。

5.2 傳感器

壓電示傳感器是一種典型的自發電式傳感器。它是某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現非電量電測的目的。

傳感器頂端的信號處理電路可將液位信號轉換成4-20mA標準信號輸出.磁致伸縮式液位計的測量范圍由磁致伸縮線的長度決定，可以長達十幾米，它可以替換差壓式、電容式、超聲波式、浮筒式或伺服式等傳統的液位計，具有可靠的工作性能.

6 系統優勢

6.1 高效節能

通過采用變頻調速恒壓控制，可在不同季節、全天不同時段內有效即時地調控水量，這樣在用水量較低時，大大節約供水量，減少電耗。

在設定壓力內跟隨用水量供水，避免了傳統供水方式的損耗，降低噸水消耗。

6.2 提高自動化水平

根據系統建立自動控制系統的原則“分散控制、集中管理、現場無人值守”，變頻恒壓供水技術的應用提高了自動控制系統的整體水平，真正作到了操作簡便安全，現場無人職守，運行安全可靠。

7 結束語

在供水系統中采用變頻調速運行方式，系統可根據實際設定水壓自動調節水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節能、節水、節地、節資，并使系統處于可靠運行的狀態；減泵時采用“先啟先停”的切換方式，相對于“先啟后停”方式，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命；同時針對所用四臺泵均已使用，需要定期進行檢修的實際情況，增加了硬件/軟件備用功能，有效延長了設備的使用壽命；壓力閉環控制，系統用水量任何變化均能使供水管網的服務壓力保持給定，大大提高了供水品質；變頻器故障后仍能保障不間斷供水，同時實現故障消除后自啟動，具有一定的可靠性.

參考文獻

[1] SIMENS、可編程序控制器S7-200操作手冊。

[2]唐修波、變頻技術及應用、北京；中國勞動社會保障出版社、2014

[3]賀玲芳、PLC控制的全自動變頻恒壓供水系統、西安科技學院學報、2013.9、第20卷、第3期。

[4]梁 森、自動檢測與轉換技術、北京；機械工業出版社、2015.1