張松濤，呂 飛，吉 哲

船舶變頻恒壓日用水供水裝置設計

張松濤，呂 飛，吉 哲

（海軍士官學校，安徽蚌埠 233012）

把PLC和變頻器應用到船舶日用水供水裝置中，采用PID控制方式，設計了恒壓供水裝置的控制系統，綜合了PLC可靠性高、控制功能強和變頻器可實現無級調速的優點，實現了恒壓供水的目標，減小了裝置的能耗、體積、重量和噪音，提高了裝置的可靠性、經濟性和安全性。

PLC 變頻器 恒壓供水 船舶供水

0 引言

船舶日用水供水裝置主要用于供給飲用水和洗滌用水，目前多采用定頻單速電動機拖動水泵，由壓力繼電器控制水泵的運行，往壓力水柜中注水，再由壓力水柜向各用戶供水。壓力水柜提供的日用水壓力不穩定，設備體積大、質量重，且能耗高。本文采用PLC和變頻器設計了變頻恒壓供水裝置，該裝置具有較高的壓力控制精度，能使供水壓力保持穩定，且具有體積小、重量輕、保護功能全、噪音低、能耗小等特點。裝置設計了自動和手動兩種運行工況，可提高運行的可靠性，能較好地適應船舶工作環境。

1 裝置總體設計

1.1 裝置結構組成

裝置由硬件和軟件兩部分組成，如圖1所示。硬件包括供水模塊和控制箱，供水模塊包括4臺水泵機組、4臺隔膜氣壓罐及相關附件等組成，控制箱采用PLC和變頻器控制水泵運行，軟件部分主要為PLC控制程序，用于控制整個裝置的運行。

圖1 裝置結構組成

1.2 裝置運行工況

裝置有兩種運行工況，即自動工況和手動工況，正常使用時，通常采用自動工況，由PLC控制變頻器帶動水泵運行；當控制系統出現問題時，可采用手動工況，手動工況由傳統的壓力繼電器控制電機定頻工作，以備應急使用。

1.2.1自動工況控制

裝置自動工況運行時，通過壓力變送器檢測水壓，把水壓值轉換為電信號，發送給PLC，PLC把水壓值與設定值進行比較，根據比較結果算出需要啟動水泵的數量及運行頻率，把指令信號發送給變頻器和接觸器，控制水泵的運行、調速和停止，進而達到恒壓供水的目的。

1.2.2手動工況控制

當可編程控制器或變頻器發生故障時，可轉至手動工況，由壓力繼電器直接控制單臺水泵運行，當水柜壓力低于規定值時，水泵啟動，定頻運行，當水柜壓力達到規定值時，水泵停止運行。

1.3 安全保護措施

船舶工作環境惡劣，裝置長期工作在高溫、高濕、高鹽的環境中，容易發生故障。為了確保裝置的安全，設置多種保護措施，主要有短路、缺相、過載、過流、超壓、欠壓、傳感器失效等故障的檢測、報警及保護停機功能。

1.4 裝置主要特點

裝置采用體積較小的隔膜氣壓罐，相對于傳統的壓力水柜，具有體積小、重量輕的特點；通過變頻器控制水泵運行，可避免水泵頻繁啟停，能明顯減小運行噪音，且具有節能的特點；裝置設計多種保護措施，能提高安全性能，適合于船舶惡劣的工作環境。

2 硬件設計

裝置由供水模塊和控制箱組成，供水模塊由4臺水泵機組、壓力變送器、壓力繼電器、隔膜氣壓罐、壓力表、真空表及管路閥件等組成，控制箱主要由控制箱箱體、PLC、變頻器、轉換開關、控制按鈕和指示燈等組成，裝置硬件組成如圖2所示。

2.1 供水模塊

供水模塊由水泵機組、隔膜氣壓罐、壓力變送器、壓力繼電器、壓力表、真空表及管路閥件等組成，水泵機組為4臺單機功率為4kW的船用變頻電機及離心水泵；隔膜氣壓罐單個容積為15升，共有4只，用于減少水錘沖擊，穩定水壓；壓力變送器用于向PLC提供系統水壓值，進而控制水泵調速運行，使水壓穩定在設定值；壓力繼電器用于手動工況下控制水泵的啟動和停止；壓力表和真空表用于人員觀察水壓值和水泵真空值；管路閥件用于系統管路。裝置置于自動工況時，水壓可穩定在0.4 MPa，裝置工作于手動工況時，供水壓力為0.2～0.5 MPa。

圖2 裝置硬件組成

2.2 控制箱

2.2.1變頻器

變頻器[1,2]可改變電源頻率實現對三相異步電動機的無級調速，可實現水泵變頻輕載啟動，減少電動機啟動沖擊電流和水泵的機械沖擊，降低裝置運行噪聲。能夠使供水量與用水量自動匹配，水壓控制精度高，節能效果比較明顯[3]。本裝置選用施耐德公司生產的ATV61型變頻器，其頻率控制范圍為0～1000 Hz，調速范圍廣，具有可靠性高、功能先進、性能出眾、使用簡便等優點。

2.2.2 PLC

經過計算，供水裝置的PLC共有12個輸入信號和14個輸出信號，選用可靠性高、控制功能強的西門子S7-200 CPU224基本單元（14入，10出）和EM223擴展模塊（8入，8出），能夠滿足本裝置的要求，并留有一定余量。根據估算，本裝置大約需要1 K字節的內存容量，選用的PLC也能滿足要求。

2.2.3轉換開關

轉換開關用于轉換裝置的工作工況以及選擇啟動水泵，裝置可在自動工況和手動工況之間切換，可手動選擇啟動水泵的數量以及指定啟動某臺或多臺水泵。

2.2.4控制按鈕和指示燈

控制按鈕用于裝置的啟動和停止，指示燈用于電源指示、裝置工作狀態指示、水泵運行指示和報警指示等。

3 軟件設計

裝置中的PLC采用PID[4～6]（比例、微分、積分）閉環控制實現水壓的恒定，比例調節起主要作用，微分調節可產生超前控制作用，用于提高系統穩定性，積分調節用于消除余差。PID控制具有理論成熟、算法簡單、效果較好等優點，是一種應用較為廣泛的控制方式，控制原理如圖3所示。

圖3 裝置PID控制流程圖

圖4 裝置控制流程圖

S7-200 PLC的編程軟件采用STEP 7，設計的程序流程圖[7～9]如圖4所示。

裝置采用自動控制模式時，由PLC和變頻器控制裝置的運行，當管路壓力低于設定值（0.4MPa）時，會啟動處于停止狀態且累計運行時間最短的水泵，通過PID控制水泵的運行。如果操作人員指定某臺泵或某幾臺泵運行，系統會從指定的泵中選擇處于停止狀態且累計運行時間最短的水泵啟動。

供水壓力依靠變頻和增減水泵共同控制，優先采用變頻進行水壓控制，在變頻控制不能達到設定水壓一定時間后，通過增減水泵進行水壓調節，直至達到設定壓力。當運行水泵的電源頻率達到50 Hz，且水壓依然低于設定值達到300 s后，系統會發出增泵指令，增加1臺水泵為系統供水，如此循環，最多啟動4臺水泵，直至水壓達到設定值。當管路壓力高于設定值（0.4 MPa）時，PLC通過PID反向控制水泵的運行，當頻率降低至0 Hz，且水壓依然高于設定值達到300秒后，系統會發出減泵指令，停止運行水泵中累計運行時間最長的水泵，如此循環，直至水壓達到設定值。

4 小結

船舶日用水供水裝置采用PLC和變頻器進行PID控制，能夠提高水壓控制的精確度，使供水壓力保持穩定，且具有可靠性高、體積小、重量輕、保護功能全、噪音低、能耗小等優點；裝置具有手動和自動兩種運行工況，可靠性高，能夠適應船舶惡劣的工作環境，本文的設計可明顯提高日用水供水裝置的綜合性能。

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Design of Ship Service Water Supply System with Variable Frequency and Constant Pressure

Zhang Songtao, Lv Fei, Ji Zhe

（Naval Petty Officer Academy, Bengbu 233012, Anhui, China）

U664.85

A

1003-4862（2021）08-0011-04

2021-01-05

張松濤（1982-），副教授。研究方向：艦船電氣。E-mail: navyzst@163.com