1.恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。

1.1變頻恒壓控制原理

在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過(guò)改變水的動(dòng)能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。

2．控制方案的選擇和確定

1.帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式

該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。

由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。

2．變頻器內(nèi)部做PID計(jì)算的控制方式

新型變頻器將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。

考慮以上兩種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第二種方案。如圖2-1所示。

圖2-1恒壓供水系統(tǒng)方框圖

3、變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

3.1系統(tǒng)的構(gòu)成

圖3-1系統(tǒng)原理圖

如圖3-1所示，整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號(hào))或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過(guò)改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。

從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。

3.2工藝概述

恒壓供水控制系統(tǒng)的核心概念就是通過(guò)變頻器控制水泵的運(yùn)行頻率，達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)系統(tǒng)還加入了市政管網(wǎng)保護(hù)功能、水泵保護(hù)功能以及故障處理等功能。為了節(jié)約成本，目前人們大多采用一個(gè)變頻器控制多個(gè)水泵變頻運(yùn)行的方式，也就是我們常說(shuō)的一拖二、一拖三或一拖四等控制系統(tǒng)。采用這種方式，變頻器輪流控制各個(gè)水泵的運(yùn)行。

水泵的運(yùn)行方式有兩種，一種是變頻運(yùn)行，一種是工頻運(yùn)行。水泵的運(yùn)行方式由PLC根據(jù)用戶用水量多少自動(dòng)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)后，水泵首先變頻運(yùn)行，當(dāng)用水量增加時(shí)，當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。用水量減小，變頻器頻率達(dá)到頻率的下限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將工頻水泵退出運(yùn)行。水泵的投切過(guò)程如此循環(huán)反復(fù)。

在用水量很少，或者沒(méi)有用水時(shí)，為了節(jié)能與延長(zhǎng)水泵的使用壽命，變頻器可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)用水量增加時(shí)，水泵會(huì)自動(dòng)從休眠狀態(tài)中喚醒。當(dāng)一臺(tái)水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，為了使各個(gè)水泵均衡運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇運(yùn)行時(shí)間最短的水泵運(yùn)行。當(dāng)有水泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳過(guò)該水泵，不會(huì)影響其他水泵的投切過(guò)程。

圖3-2恒壓供水設(shè)備實(shí)物圖

3.3控制部分的構(gòu)成

主要產(chǎn)品功能規(guī)格:

主控制器：FBs-24MAR2-AC

人機(jī)界面：UNICON7寸屏

變頻器：永宏N1系列的變頻器。

3.4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3-4系統(tǒng)控制電路接線圖

4.系統(tǒng)控制程序

4.1控制工藝流程圖

PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻—變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖4-1所示。

圖4-1控制流程圖

系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。

手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問(wèn)題，另外本系統(tǒng)為了防止PLC故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)，手動(dòng)的控制沒(méi)有進(jìn)入PLC程序中，這樣更加有利于系統(tǒng)的溫度性。在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號(hào)，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒(méi)接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。

4.2手動(dòng)控制模式

圖4-2手動(dòng)控制接線圖

如圖4-2所示，如果通過(guò)外部的按鈕切換到手動(dòng)，PLC就斷電了，通過(guò)SB1-SB3分別對(duì)應(yīng)1-3號(hào)水泵開啟工頻運(yùn)行，這樣就可以防止PLC故障而導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓，更加增強(qiáng)了系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的能力。

4.3自動(dòng)控制模式

4.3.1變頻泵斷電切換

圖4-3判斷泵工作狀態(tài)

通過(guò)以上程序可以實(shí)現(xiàn)每次停機(jī)或者停電后再次運(yùn)行時(shí)，可以切換到下一臺(tái)泵工作，通過(guò)PLC內(nèi)部的斷電保存的寄存器可以先把斷電前工作的變頻泵的狀態(tài)保存，下次開機(jī)直接跳轉(zhuǎn)到下一臺(tái)變頻泵工作了。

4.3.2定時(shí)換泵和加泵流程

圖4-4換泵和加泵程序

工作時(shí)間每分鐘計(jì)數(shù)1下，到達(dá)了設(shè)定的換泵時(shí)間后或者是該泵故障切換到下一臺(tái)變頻泵工作。當(dāng)加泵信號(hào)超過(guò)加泵延時(shí)時(shí)間后，進(jìn)行倒泵操作，該該變頻泵切換到工頻，啟動(dòng)下一臺(tái)水泵進(jìn)入變頻工作。

4.3.3減泵流程

圖4-5減泵工作部分程序

當(dāng)變頻器的頻率達(dá)到下限值，并且延時(shí)一定時(shí)間后，要把工作最久的工頻水泵關(guān)閉，如上圖所示，此時(shí)把工頻泵1關(guān)閉，只剩下2號(hào)泵工頻運(yùn)行和3號(hào)泵變頻運(yùn)行，也就是跳轉(zhuǎn)到M211流程，如圖4-6。

圖4-6 二號(hào)泵工頻和三號(hào)泵變頻運(yùn)行

4.4觸摸屏相關(guān)程序

圖4-7觸摸屏操作界面

觸摸屏的相關(guān)操作頁(yè)面包括水泵的工作狀態(tài)指示，變頻器的相關(guān)參數(shù)和壓力傳感器的讀數(shù)都是觸摸屏通過(guò)MODBUS協(xié)議直接同變頻器通訊讀取的。除了操作頁(yè)面還有壓力動(dòng)態(tài)顯示頁(yè)面，操作說(shuō)明頁(yè)面等。

5.系統(tǒng)的特點(diǎn)

可靠性是恒壓供水系統(tǒng)的關(guān)鍵。臺(tái)灣永宏電機(jī)，有20多年做PLC的歷史，其生產(chǎn)的PLC有提供5年的質(zhì)保，這一點(diǎn)是一般PLC所無(wú)法比擬的，也是由于其穩(wěn)定性和高性價(jià)比的特點(diǎn)廣受業(yè)界好評(píng)。

并且永宏P(guān)LC的編程軟件是基于中國(guó)人的編程習(xí)慣自主研發(fā)的，可以進(jìn)行在線調(diào)試和離線調(diào)試，有強(qiáng)大的視圖功能，可以大大的降低編程調(diào)試的周期。另外靈活的編程方式，可以給未來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)帶來(lái)極大的方便。

6.結(jié)束語(yǔ)

與普通的供水模式相比，恒壓供水系統(tǒng)可以節(jié)電50%以上。一般應(yīng)用在生活用水的二次增壓，并且工作起來(lái)對(duì)市政管網(wǎng)的給水壓力不產(chǎn)生壓降，這就需要到變頻調(diào)速技術(shù)和智能控制技術(shù)等多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

FATEK的FBS系列的PLC具有穩(wěn)定的硬件平臺(tái)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和便捷的編程語(yǔ)言，在恒壓供水設(shè)備中越來(lái)越多的應(yīng)用了。

參考文獻(xiàn)：

[1]永宏可編程控制器使用手冊(cè)I臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司

[2]永宏可編程控制器使用手冊(cè)II.臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司

[3]永宏P(guān)LC編程軟件使用手冊(cè).臺(tái)灣永宏電機(jī)股份有限公司

[4]劉雍，葛立福PLC在無(wú)負(fù)壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].PLC&FA，2012

[5]唐小猛無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備技術(shù)分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)，2006.

作者簡(jiǎn)介：

劉如晶(1986--),畢業(yè)于福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系

主要從事永宏P(guān)LC技術(shù)支持與行業(yè)應(yīng)用工作

聯(lián)系方式：18811047960

Email:liu.rujing@fatek.com.cn