基于同一頻率源的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯金泉+魏奇

摘 要：雙泵控制的恒壓供水系統(tǒng)普遍存在自動(dòng)化程度低、可靠性差，電機(jī)低頻運(yùn)行，能耗大，效率低且啟停頻繁等問題。本文設(shè)計(jì)了一種采用同一頻率源進(jìn)行雙泵控制的控制系統(tǒng)，通過PLC技術(shù)與變頻器技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)高精度的恒壓供水控制，提升壓力反應(yīng)靈敏性，確保雙泵都處于高效率區(qū)間，保證供水系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙泵；恒壓供水；同一頻率源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.122

0 引言

恒壓供水系統(tǒng)目前在企業(yè)生產(chǎn)生活中利用廣泛，尤其在工廠供能部門。供水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行具有重要意義，要求供水壓力保持較高穩(wěn)定性。由于工廠前期供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制較為簡單，導(dǎo)致供水壓力波動(dòng)較大。以我廠恒壓供水系統(tǒng)為例：改造前采用雙泵供水，控制方式是當(dāng)母管供水壓力低于0.2MPa時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)水泵，工頻運(yùn)行；當(dāng)壓力超過0.35MPa時(shí)，停止一臺(tái)水泵，母管供水壓力在0.2MPa到0.35MPa之間波動(dòng)。本文提出了一種基于同一頻率源的控制系統(tǒng)，在滿足供水壓力精度要求的基礎(chǔ)上，保證水泵一直處于高效率運(yùn)行區(qū)間，按需分配，確保設(shè)備在運(yùn)行時(shí)擁有較好的能耗比。

1 變頻恒壓供水理論分析

目前，水泵電機(jī)通常由三相交流異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，對(duì)水泵的調(diào)速通過對(duì)其電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)主要通過變頻調(diào)速裝置同時(shí)改變電壓和頻率來實(shí)現(xiàn)。變頻調(diào)速系統(tǒng)通常是使用變頻器拖動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和無級(jí)調(diào)速。在分析水泵的負(fù)載特性時(shí)，常采用下列的一組公式：

M∝n2

P∝n 3

式中： n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速； M 為輸出轉(zhuǎn)矩； P 為輸出功率。可知： 水泵具有平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，當(dāng)用水量減少時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速的微量減小，將使輸出功率大幅下降。

2 控制系統(tǒng)基本原理

2.1 功能要求

變頻恒壓供水系統(tǒng)控制的功能要求如下： ①供水壓力基本恒定， 換泵時(shí)的水壓波動(dòng)小，壓力目標(biāo)值在0.35MPa； ②共有2臺(tái)11KW水泵，根據(jù)需要來控制水泵啟動(dòng)停止以及轉(zhuǎn)速。③水泵需具備相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測報(bào)警以及過流、短路保護(hù)。

2.2 控制思路

首先由安裝在母管上的壓力傳感器提供的管網(wǎng)壓力信號(hào)，通過通訊總線傳遞給控制器，控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)傳感器的采樣值與需求的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過控制器內(nèi)的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制器根據(jù)處理結(jié)果向變頻器發(fā)送命令，控制變頻器的啟停和輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持供水管道的壓力恒定。

3 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)工廠對(duì)恒壓供水系統(tǒng)的要求，規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，并選取相應(yīng)的硬件材料，進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)主要由控制器、壓力傳感器、變頻器、水泵以及本地控制電路組成。選取1臺(tái)西門子PLC-300作為控制器，采用E+H壓力傳感器和兩臺(tái)丹佛斯系列變頻器控制兩臺(tái)11KW水泵。

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

4.1 控制策略

壓力傳感器實(shí)時(shí)測量母管供水壓力，并通過通訊總線將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制器內(nèi)部程序會(huì)對(duì)母管實(shí)際壓力和目標(biāo)壓力進(jìn)行比較，而后生成變頻器的控制頻率。當(dāng)母管實(shí)際壓力高于目標(biāo)壓力時(shí)，控制頻率會(huì)逐步降低，使母管壓力下降，壓力差越大，頻率下降越快，壓力差越小，頻率下降越慢。當(dāng)母管實(shí)際壓力低于目標(biāo)壓力時(shí)，輸出頻率會(huì)逐步升高，壓力差越大，升高速度越快，壓力差越小，升高速度越慢。兩臺(tái)變頻器使用控制器輸出的同一頻率來進(jìn)行控制，并通過延時(shí)后穩(wěn)定的頻率數(shù)值來決定兩臺(tái)水泵的起停。

4.2 控制過程

在用水高峰期，用水量增大，管網(wǎng)壓力隨之下降，此時(shí)壓力的變化通過程序運(yùn)算后，最終使變頻器輸出頻率增加，使水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)達(dá)到或者超過49Hz時(shí)，并且延時(shí)30s后，第二臺(tái)水泵啟動(dòng)，與第一臺(tái)水泵相同的頻率運(yùn)行，如果此時(shí)用水量保持不變，兩臺(tái)水泵同時(shí)以高頻率供水，母管壓力將會(huì)升高，控制器通過運(yùn)算后會(huì)降低輸出頻率，兩臺(tái)水泵由于采用同一頻率源，此時(shí)頻率會(huì)同時(shí)降低，保證供水壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量較少時(shí)，管網(wǎng)壓力將增加，壓力的變化通過PID運(yùn)算后使變頻器輸出頻率下降，兩臺(tái)水泵頻率同時(shí)降低，當(dāng)長時(shí)間低于40Hz時(shí)，第二臺(tái)水泵自動(dòng)退出運(yùn)行，由單臺(tái)水泵進(jìn)行供水，保證供水壓力穩(wěn)定的同時(shí)，最大限度的節(jié)約能耗。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種采用同一頻率源控制的新型恒壓供水方法，雙泵能夠同時(shí)反應(yīng)，調(diào)控水壓能力強(qiáng)，反應(yīng)靈敏，并且具備水泵的自動(dòng)投切功能，使雙泵能夠運(yùn)行在高效率區(qū)間。避免了傳統(tǒng)控制方法導(dǎo)致的泵以較低頻率運(yùn)行，能耗效率低，電機(jī)因散熱不足影響使用壽命問題。采用了西門子PLC-300控制器和PROFINET總線控制變頻器技術(shù)，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。具有簡單實(shí)用、可靠性好、通用性強(qiáng)以及便于監(jiān)控維護(hù)等特點(diǎn)， 利用PROFINET總線實(shí)現(xiàn)樹形連接，有效提高通訊可靠性。通過多重保護(hù)報(bào)警程序的編寫實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高安全性。本設(shè)計(jì)在工廠中得到了實(shí)際應(yīng)用，取得了良好的使用效果。

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