一拖二模式的變頻調速恒壓供水系統設計

詹莊春

(華南農業大學珠江學院信息工程系， 廣東 廣州 510900)

一拖二模式的變頻調速恒壓供水系統設計

詹莊春

(華南農業大學珠江學院信息工程系， 廣東 廣州 510900)

變頻調速恒壓供水的目的是在保證安全穩定用水的前提下，還能節約用電，避免水資源的浪費.通過分析和比較，確定了系統設計方案.依據系統方案構建硬件，畫出了其電氣接線詳圖.繪制了在自動模式下的泵機控制流程，指出了幾個關鍵的控制環節.在MELSOFT環境下編制程序，制作畫面，以及觸屏仿真.一拖二模式結構簡單，容易實現，經測試，系統運行性能良好.

PLC；變頻調速；一拖二；MELSOFT；恒壓供水

一般生產生活用水，例如高樓居民生活用水必需管網具有一定的水壓力.為了保證管網有水壓，以往采用抽水機向高位水塔送水以及氣壓罐增壓等方式，這些方式占地多，投資大，增壓值不高，且水箱儲水存在水資源的二次污染[1].如今，隨著變頻技術的迅速發展和廣泛應用，各水廠普遍采取了單獨由水泵加壓的供水方式，即由電機帶動水泵同軸旋轉，泵機可變頻調速[2]，因此實現恒壓供水.泵機調速恒壓供水方式省去了大量的硬件投入，但隨之提出的問題也不少，例如變頻技術方案的選擇，泵機運行的控制方式，系統安全可靠性的提高，以及如何把握上述之間的聯系，等等.經綜合考慮，本文擬采用一臺變頻器帶兩臺泵機，即一拖二模式，可編程控制器PLC作為核心控制器，控制泵機的投入和切換.據此構建軟硬件系統，然后利用觸屏仿真軟件對系統進行測試.以期節能之余，還能提高恒壓供水的穩定可靠性，且系統實現容易，維護管理也方便，從而節約人力、物力和財力.

1 變頻調速恒壓供水原理

首先，管網水壓高低與泵水揚程、泵機轉速、管道阻力以及用戶用水流量等因素有關.由文獻[3]可知，水閥全開時，管道阻力R隨泵水流量的平方而變化，泵機轉速一定時，泵水揚程H隨用水流量Q的平方而反向變化，其中的關系曲線示意圖如圖1所示.圖1中，靜壓h與管網自然高度有關，隨著水閥的關閉，管阻增加，隨著泵機轉速下降，泵水揚程下降，同時可以看到，水泵工作在①點.隨著用水量減少，恒速水泵工作點轉移至②，由于泵水流量與泵機轉速成正比，為了滿足同樣的用水需求，變速泵可工作在③點.兩相對比，恒速泵提供多余的揚程被關閉的水閥擋了回來，因泵機功耗與泵機轉速的三次方成正比，故變速泵可節能.

其次，泵水流量應與用水流量持平，否則管網水壓將會產生動態偏差，形成水錘效應，進而影響出水流量的穩定性，因此提出恒壓供水.

最后，諸多文獻(如文獻[4])均提到泵機的變頻調速.其原理是通過變頻器采取恒壓頻比的方式調節泵機的供電電源頻率，從而調節泵機轉速.其優點是變頻軟啟動可減輕電力對泵機的沖擊損害.

圖1 供水管網的H-Q曲線

另外需要指出的是，由電機學可知，泵機即感應電動機的最大效率通常發生在額定工作點附近，故泵機不適宜作深度調速.然而，當泵水揚程等于供水管網靜壓時，最不利工況點水壓為零，實際上此處沒有出水流量.故嚴格來講，泵機最低轉速一般不低.

2 確定供水系統方案

如何實現變頻，其設計方案有如下幾種.方案一，設計獨立的比例積分微分即PID調節器[5]，其優點是PID參數設置簡便，缺點是使系統結構復雜.方案二，由可編程控制器PLC的功能指令PID實現[6]，其優點是數據處理能力強，可在線設置PID參數，缺點是需外接模數和數模轉換器兩個模塊，若內置模數/數模轉換功能，則PLC的造價較高.方案三，變頻器內置PID功能[7]，其優點是技術成熟，控制系統結構簡單，缺點是PID參數需現場設定.方案四，恒壓供水專用變頻器，無需外接PLC和PID調節器，其優點是功能集成，不足之處是技術還在試用階段.

考慮到現有大多數變頻器內置的PID調節器均有參數自整定功能，故選擇方案三.在滿足液位的基礎上，PLC接收并處理變頻器頻率的上下限信號，通過指令完成恒速泵即工頻泵和調速泵即變頻泵的運行以及兩者之間的切換功能，變頻調速恒壓供水系統原理如圖2所示.圖2中，壓力傳感器通過檢測供水管網出水口的液壓，輸出相應的電信號，其與給定水壓信號比較，產生偏差.PID調節器對偏差進行處理后，確定供電電源頻率，從而改變泵機轉速，直至管道水壓穩定.

圖2 變頻調速恒壓供水系統原理框圖

3 硬件設計

水泵臺數較多，則其利用率偏低，一般設置三臺泵比較合適，用一臺變頻器帶二臺調速泵，第三臺泵作備用.三臺泵并聯運行，泵型相同.泵規格大小應在需求分析之后選擇[8]，例如某社區居民生活用水量隨晝夜變化非常大，其大致可分為高峰和低峰以及普通三個用水區段，泵機功率的選擇依據是二臺泵工頻運行完全能夠滿足高峰期的供水要求.

接下來選擇變頻器.選擇變頻器容量的基本原則是泵機在運行的全過程中，變頻器的額定電流應大于電動機可能出現的最大電流，變頻器容量應比泵機功率加大一檔[9].例如選用三菱FR-A540系列變頻器，其采用先進矢量控制方式，實現在線自動調整功能，調速比可達1∶120(0.5～60Hz)，內置RS485通信口以及PID等各種功能，可適合各種應用場合.

圖3 一拖二模式的變頻恒壓供水系統電氣接線圖

然后是PLC的選型.根據實際需要的輸入輸出I/O點數再加上預留10%～15%的點數確定PLC容量.本系統選用三菱FX2N-48MR繼電器輸出型PLC[10]，一拖二模式的變頻調速恒壓供水系統電氣接線如圖3所示.

圖3中，KM1～KM6為電磁式繼電器對應的開關，KH1～KH3為過熱保護繼電器對應的開關，STF為變頻器控制泵機正轉，壓力傳感器可將水壓變成4～20mA變化的電流信號，其與給定水壓比較后在變頻器的端子1得到偏差，以此作為供電電源頻率變化的依據.FUP和FDN分別為PID輸出上下限幅值，送入PLC作為增泵減泵以及泵切換運行的依據.當模式切換為手動后，每臺泵均可手動運行，工作泵所接的工頻電源與變頻電源之間均有硬件上的電氣互鎖，且水位低時所有泵不工作.此外還設置了超低用水量和泵過載以及變頻器故障報警指示.

4 軟件設計

作為核心控制器的PLC，其功能主要是對泵機的控制.在一般用水情況下，工作泵應處在四種狀態中循環運行，即泵1變頻泵2停止運行，泵1工頻泵2變頻運行，泵1停止泵2變頻運行，泵1變頻泵2工頻運行.在自動模式下，PLC的工作流程如圖4所示.

圖4中，對變頻上下限的判斷需經過濾波延時，以消除脈沖干擾等虛假信號，其梯形圖程序如圖5(a)所示.泵切換指的是變頻器控制對象即泵機的轉移，轉移期間，先斷開上一臺變頻泵，再緩沖延時，以降低電力對下一臺變頻泵機的沖擊，例如由泵1變頻切換為泵2變頻運行，其梯形圖程序如圖5(b)所示.當超高負荷即用水量特別多的時候，備用泵開啟，限時運行后自動停止，其梯形圖程序如圖5(c)所示.而當用水量特別少即超低負荷的時候，變頻泵在最低頻率下運行還有多余揚程，則指示燈閃爍，以提示工作人員可在系統停止運行的情況下重新設置較低的變頻下限值.此外，工作泵還利用軟繼電器設置了電氣互鎖.

圖4 自動模式下的泵機控制程序流程

圖5 恒壓供水系統中幾個關鍵環節的梯形圖程序

5 系統測試

5.1 變頻器參數設置

設某變頻恒壓供水系統，采用變頻器的內置PID控制，壓力傳感器采集的壓力信號為4～20mA，其對應壓力為0～10kg，系統要求管網壓力為4kg，設定值通過變頻器端子2～5(0～5V)給定.則端子2的輸入電壓為2.0V，變頻器參數設置如下：

Pr.1=50，變頻上限50Hz.

Pr.2=25，變頻下限25Hz.

Pr.13=10Hz，啟動頻率10Hz.

Pr.79=1，設置PU運行模式.

Pr.128=20，PID負作用，測量值由端子4輸入，設定值由端子2設定.

Pr.129=100%，PID比例(P)范圍常數100%.

Pr.130=10，PID積分(I)時間10s.

Pr.131=50，PID輸出上限幅值50%.

Pr.132=30，PID輸出下限幅值30%.

Pr.133=40，目標值設定為40%(4kg).

Pr.134=3，PID微分(D)時間3s.

Pr.190=14，定義FDN信號端子，即PID下限輸出.

Pr.191=15，定義FUP信號端子，即PID上限輸出.

Pr.79=2，切換到外部運行模式.

5.2 PLC邏輯功能測試

利用三菱編程仿真軟件MELSOFT，即利用GX Developer編制PLC梯形圖程序；利用GT Designer制作PLC外部I/O信號的圖形顯示平臺；利用GT Simulator模擬PLC外部I/O信號并可通過觸摸屏設定其狀態和數值，從而進行仿真操作[11].

在GX Developer編程軟件環境下，PLC系列選擇FXCPU，PLC類型選擇FX2N(C)，確保編制程序無誤之后，啟動梯形圖邏輯測試按鈕.在GT Designer畫面制作軟件環境下，GOT類型選擇A960GOT(640×400)，PLC類型選擇MELSEC-FX，然后可參考PLC電氣接線圖制作畫面.在GT Simulator仿真軟件環境下，仿真系列選擇GOT-A900，載入工程畫面之后，即可按泵機控制流程來操作輸入點圖塊.經過測試PLC的邏輯功能，系統運行結果正確.

6 結束語

一拖二模式的變頻器內置PID調速變流量恒壓供水系統，結構簡單，其程序設計容易.工作泵循環運行，可得到均勻利用，泵變頻切換平穩.通過對上限幅值FUP的設置，特別在用水高峰期，備用泵也可限時運行.手動模式主要是為了系統運行檢測，在消防用水時也可切換.系統通過測試，可觸屏監控，具有友好的人機界面和良好的動靜態運行性能，性價比較高.

[1] 羅英慧.變頻調速恒壓供水在建筑給水系統中的應用[J].科研生產,1995,(1):25-28.

[2] 劉宜,李會暖,劉曉陽,等.變頻調速技術在水泵調節控制系統中的應用[J].排灌機械,2006,(4):44-46.

[3] 寧耀斌,明正峰,鐘彥儒.變頻調速恒壓供水系統的原理與實現[J].西安理工大學學報,2001,(3):305-309.

[4] 呂慧芳.變頻調速在恒壓供水系統中的應用[J].電子信息,2010,(12):209-211.

[5] 梁棟,徐錦.基于PID控制的變頻恒壓供水系統設計[J].電子測試,2016,(16):149-150.

[6] 劉鑫,李鵬飛.下位機PLC和上位機組態軟件在恒壓供水系統中的應用[J].電氣傳動自動化,2016,(4):29-34.

[7] 高新陵,宋曉平.變頻調速恒壓供水系統研制[J].河海大學學報,2001,(1):115-118.

[8] 楊東平.變頻調速恒壓供水系統綜述[J].南寧職業技術學院學報,2004,(3):77-80.

[9] 張燕賓.SPWM變頻調速應用技術(第4版)[M].北京:機械工業出版社,2011.

[10] 王阿根.電氣可編程控制原理與應用(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2010.

[11] 詹莊春.MELSOFT環境下船用輔鍋爐的燃燒控制[J].宜賓學院學報,2015,(6):32-35.

(責任編校：晴川)

System Design of Constant Pressure Water Supply with an Inverter Dragging Two Pumps

ZHAN Zhuangchun

(Department of Information Engineering, Zhujiang Institute of South China Agricultural University,Guangzhou Guangdong 510900, China)

The purpose of constant pressure water supply with inverter is to save electricity and avoid the waste of water resources on the premise of security and stability of water supply. Through analysis and comparison, the system design scheme is determined. Hardware electrical wiring is constructed on the basis of system scheme. Pump control process of automatic mode is mapped and several key control links are pointed out. Under the environment of MELSOFT, program is compiled, the picture has been made and touch screen simulation has been realized. The structure of an inverter dragging two pumps is simple and the system implements easily. Through the test, the system performance is good.

PLC; VVVF; one drag two; MELSOFT; constant pressure water supply

2016-10-19

詹莊春(1978— )，男，江西鄱陽人，華南農業大學珠江學院信息工程系講師，南昌大學信息工程學院碩士生.研究方向：電氣自動化.

TP23

A

1008-4681(2017)02-0026-04