變頻恒壓供水系統設計

摘要：針對藥品研發中試企業用水量具有間斷性的特征，設計了一種變頻恒壓供水系統。該系統利用PLC的邏輯控制與自診斷分析功能，實現了全自動恒壓供水，水泵電機根據測量壓力均可變頻和工頻供電，相互備用。實際運行表明，該系統運行穩定性強，控制靈活，安全可靠。

關鍵詞：節能;變頻調速;PID應用宏;PLC控制;邏輯控制

0 引言

藥品研發中試企業用水量具有間斷性特征，有生產需求時用水量大，在藥品研發小試階段用水量較小，因此，離心水泵必須通過調整轉速來滿足水壓穩定性的需求。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體，可實現對供水系統的集中管理與監控，并具有良好的節能效果。

1 水泵變頻調速節能原理

水泵調速的H-Q曲線如圖1所示，水泵運行工況點D是泵的特性曲線與管路阻力曲線的交點。當用閥門控制流量時，若要減小流量，則需關小閥門開度，使閥門摩擦阻力變大，阻力曲線從R1移到R2，揚程則從H0上升到H1，流量從QN減小到Q1，運行工況點從D點移到A點。

調速控制時，阻力曲線不變，泵的特性取決于轉速，如果將轉速由nN變為n1，運行工況點從D點移到C點，揚程從H0降到H3，流量從QN減小到Q1，則泵在A點、C點工況運行時的軸功率分別為：

式中：PA、PC為泵在工況點A、C的軸功率（kW）;Q1為工況點流量（m3/s）;H1、H3為工況點揚程（m）;ρ為輸出介質單位體積質量（kg/m3）;η為工況點的泵效率（%）。

將PA與PC相減得出使用調速控制時節省的功率：

水泵采用調速控制方式時，若所需流量為額定流量的80%，則軸功率僅為額定軸功率的51.2%，節能效果相當顯著。變頻恒壓供水系統的優點是節約電能，節能量通常在10%～40%，流量越小，節能效果越明顯[1]。

2 控制系統組成

本系統供水泵采用兩用一備方式，泵功率15 kW，Q=162 m3/s，H=42 m，泵前裝有9.5 m×3 m×2.5 m的生產水箱，企業用水量經常出現間斷性、階梯性特征，且市政供水壓力偏高，為保證生產用水的安全性，避免系統管網壓力過高，本設計采用變頻器一拖三運行方式，每臺泵電機均可工作在變頻/工頻模式下，在主回路控制中，每臺電機分別通過接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源連接，工頻回路裝有過熱繼電器，工頻和變頻控制回路在硬件和軟件方面互鎖，當任意一臺電機出現故障，PLC系統經過邏輯分析自動投入備用供電回路，確保管網供水壓力穩定，安全供水。

本系統采用經典的PLC控制的變頻調速系統，PLC選用西門子的CPU226CN小型機，本機集成24點DI輸入、16點DO輸出，PLC的I/O端口分配表如表1所示。變頻器選用ABB的ACS510系列，其程序參數集成了恒壓供水、冷卻風機、地鐵和隧道通風等典型應用，ACS510系列端子接線表如表2所示。本系統還包括數顯壓力變送器、液位計、斷路器、接觸器、熱繼電器等常規電氣元件，可實現手動狀態的開環控制和自動狀態下的恒壓閉環控制。PLC完成水泵的啟停、控制點采集、邏輯控制、報警等功能。

ABB變頻器具有內置的PID功能模塊。變頻調速系統限制電機啟動電流，避免對電網造成沖擊，可消除泵啟動和停機時的水錘效應。但變頻調速范圍應在離心泵特征曲線（H-Q）的最佳工作范圍內，即頻率下調10%～30%才能體現出較好的節能效益，再往下調節頻率，就會出現水泵運轉而不出水的工況，即超出了離心泵的極限工作范圍[2]。ACS510系列變頻器能很好地解決恒壓供水的PID算法控制問題。

3 恒壓控制過程及實現

恒壓控制充分利用了ABB的ACS510系列變頻器內置的PID宏控制參數，宏是一組預先定義的參數集，且所有宏參數將自動設置成默認值，可減少調試時間，降低出錯的可能性，通過必要參數的設置，可以有效地實現恒壓供水功能[3]。本系統變頻器的主要參數設置如表3所示。

系統在泵出口水平總管道上安裝數顯壓力變送器，量程范圍為0～2.5 MPa，當水泵自動運行時，壓力變送器的4～20 mA信號進入ABB變頻器的AI1輸入端，變頻器根據給定值和測量值的偏差及偏差變化率，經PID運算后，調整變頻器輸出頻率，根據公式n=60f/p（f為頻率，p為極對數），改變異步電機定子旋轉磁場的頻率，直接控制水泵電機的轉速，改變水泵的H-Q特征值，從而調整水泵出口壓力。

邏輯控制方面，假定1#泵運行，當用水量增大時，管網壓力下降，變頻器的PID自動調節使其頻率輸出增大，當頻率輸出值達到49.5 Hz時，根據變頻器參數1401、3201、3203的設置，變頻器DO1輸出值為“ON”，PLC根據I0.0為“1”發出增泵指令，PLC延時10 s后，該臺水泵自動切換至工頻運行模式，實現無擾動切換，此時變頻器停止工作，自由停車至0頻率值，延時5 s后啟動2#泵變頻運行。

當用水量減少，管網壓力升高至0.35 MPa時，根據變頻器參數1402、3204、3206的設置，變頻器DO2輸出值為“ON”，PLC根據I0.1為“1”發出減泵指令，1#工頻泵停止運行。

隨著用水量減少，變頻器工作在低頻段，根據變頻器參數4023、4024的設置，當頻率低于30 Hz時，變頻器啟動睡眠功能，并延時60 s后變頻器停止工作，避免浪費電能。

若用水量增大或持續少量用水，管網壓力會持續降低，根據變頻器參數4025、4026的設置，當壓力下降到0.25 MPa時，經過延時0.5 s后，變頻器開始啟動重新工作，保證管網壓力控制在0.3 MPa左右。

變頻泵工作的輪換按1#、2#、3#水泵順序循環工作，3臺泵自動循環運行，互為備用，使泵組設備均衡使用，避免單臺泵運行過度損耗。若此時有1臺泵組發生故障，表現為開關跳閘、熱繼電器動作，則第3臺泵根據控制策略需要，自動投入運行，若變頻器發生故障，系統會發出聲光報警，提示崗位人員切換手動狀態，水泵將在工頻狀態下運行，在緊急情況下可打開生產水箱的旁通閥，保證持續供水。

為避免加泵、減泵切換過程中壓力出現波動，或用水負荷大幅度波動造成調節震蕩，在泵出口連接有穩壓罐，能有效保證供水壓力的穩定性。

當生產水箱的液位低于0.25 m時，PLC掃描到低水位信號，系統將停機;當液位高于2.3 m時，PLC掃描到高水位信號，系統發出聲光報警。

4 系統程序結構

軟件采用西門子的STEP 7 MicroWIN V4.0 SP9編程軟件，PLC程序主要由MAIN初始化主程序以及運行狀態、增減泵程序、邏輯控制、報警等子程序組成，模塊化程序設計增強了程序的閱讀性、可靠性，便于系統調試和程序移植。

5 結語

變頻恒壓供水系統保證了生產供水的穩定性和可靠性，具有很強的自診斷能力，降低了故障發生的概率，減輕了工人的勞動強度，節水、節電效果顯著，取得了良好的經濟效益和社會效益。

[參考文獻]

[1] 劉宜，方桂筍，李晨晨，等.基于PLC的泵站供水控制系統的設計[J].排灌機械，2007（6）：17-20.

[2] 孫小權，秦春節，何喜玲.基于PLC的變頻恒壓供水控制系統優化設計[J].自動化儀表，2007（1）：47-48.

[3] 北京ABB電氣傳動系統有限公司.ABB變頻器ACS 510用戶手冊[Z].

收稿日期：2020-05-07

作者簡介：胡浩（1972—），男，遼寧本溪人，自動化工程師，研究方向：自動控制系統、DCS控制系統、PLC控制現場應用。