詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系， 廣東 廣州 510900)

一拖二模式的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

詹莊春

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系， 廣東 廣州 510900)

變頻調(diào)速恒壓供水的目的是在保證安全穩(wěn)定用水的前提下，還能節(jié)約用電，避免水資源的浪費(fèi).通過分析和比較，確定了系統(tǒng)設(shè)計方案.依據(jù)系統(tǒng)方案構(gòu)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(jī)控制流程，指出了幾個關(guān)鍵的控制環(huán)節(jié).在MELSOFT環(huán)境下編制程序，制作畫面，以及觸屏仿真.一拖二模式結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測試，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好.

PLC；變頻調(diào)速；一拖二；MELSOFT；恒壓供水

一般生產(chǎn)生活用水，例如高樓居民生活用水必需管網(wǎng)具有一定的水壓力.為了保證管網(wǎng)有水壓，以往采用抽水機(jī)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(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各水廠普遍采取了單獨(dú)由水泵加壓的供水方式，即由電機(jī)帶動水泵同軸旋轉(zhuǎn)，泵機(jī)可變頻調(diào)速[2]，因此實(shí)現(xiàn)恒壓供水.泵機(jī)調(diào)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(shù)方案的選擇，泵機(jī)運(yùn)行的控制方式，系統(tǒng)安全可靠性的提高，以及如何把握上述之間的聯(lián)系，等等.經(jīng)綜合考慮，本文擬采用一臺變頻器帶兩臺泵機(jī)，即一拖二模式，可編程控制器PLC作為核心控制器，控制泵機(jī)的投入和切換.據(jù)此構(gòu)建軟硬件系統(tǒng)，然后利用觸屏仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行測試.以期節(jié)能之余，還能提高恒壓供水的穩(wěn)定可靠性，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)容易，維護(hù)管理也方便，從而節(jié)約人力、物力和財力.

1 變頻調(diào)速恒壓供水原理

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

其次，泵水流量應(yīng)與用水流量持平，否則管網(wǎng)水壓將會產(chǎn)生動態(tài)偏差，形成水錘效應(yīng)，進(jìn)而影響出水流量的穩(wěn)定性，因此提出恒壓供水.

最后，諸多文獻(xiàn)(如文獻(xiàn)[4])均提到泵機(jī)的變頻調(diào)速.其原理是通過變頻器采取恒壓頻比的方式調(diào)節(jié)泵機(jī)的供電電源頻率，從而調(diào)節(jié)泵機(jī)轉(zhuǎn)速.其優(yōu)點(diǎn)是變頻軟啟動可減輕電力對泵機(jī)的沖擊損害.

圖1 供水管網(wǎng)的H-Q曲線

另外需要指出的是，由電機(jī)學(xué)可知，泵機(jī)即感應(yīng)電動機(jī)的最大效率通常發(fā)生在額定工作點(diǎn)附近，故泵機(jī)不適宜作深度調(diào)速.然而，當(dāng)泵水揚(yáng)程等于供水管網(wǎng)靜壓時，最不利工況點(diǎn)水壓為零，實(shí)際上此處沒有出水流量.故嚴(yán)格來講，泵機(jī)最低轉(zhuǎn)速一般不低.

2 確定供水系統(tǒng)方案

如何實(shí)現(xiàn)變頻，其設(shè)計方案有如下幾種.方案一，設(shè)計獨(dú)立的比例積分微分即PID調(diào)節(jié)器[5]，其優(yōu)點(diǎn)是PID參數(shù)設(shè)置簡便，缺點(diǎn)是使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜.方案二，由可編程控制器PLC的功能指令PID實(shí)現(xiàn)[6]，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可在線設(shè)置PID參數(shù)，缺點(diǎn)是需外接模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器兩個模塊，若內(nèi)置模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，則PLC的造價較高.方案三，變頻器內(nèi)置PID功能[7]，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，缺點(diǎn)是PID參數(shù)需現(xiàn)場設(shè)定.方案四，恒壓供水專用變頻器，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，其優(yōu)點(diǎn)是功能集成，不足之處是技術(shù)還在試用階段.

考慮到現(xiàn)有大多數(shù)變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器均有參數(shù)自整定功能，故選擇方案三.在滿足液位的基礎(chǔ)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(diào)速泵即變頻泵的運(yùn)行以及兩者之間的切換功能，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理如圖2所示.圖2中，壓力傳感器通過檢測供水管網(wǎng)出水口的液壓，輸出相應(yīng)的電信號，其與給定水壓信號比較，產(chǎn)生偏差.PID調(diào)節(jié)器對偏差進(jìn)行處理后，確定供電電源頻率，從而改變泵機(jī)轉(zhuǎn)速，直至管道水壓穩(wěn)定.

圖2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理框圖

3 硬件設(shè)計

水泵臺數(shù)較多，則其利用率偏低，一般設(shè)置三臺泵比較合適，用一臺變頻器帶二臺調(diào)速泵，第三臺泵作備用.三臺泵并聯(lián)運(yùn)行，泵型相同.泵規(guī)格大小應(yīng)在需求分析之后選擇[8]，例如某社區(qū)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(qū)段，泵機(jī)功率的選擇依據(jù)是二臺泵工頻運(yùn)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(jī)在運(yùn)行的全過程中，變頻器的額定電流應(yīng)大于電動機(jī)可能出現(xiàn)的最大電流，變頻器容量應(yīng)比泵機(jī)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(jìn)矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)在線自動調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá)1∶120(0.5～60Hz)，內(nèi)置RS485通信口以及PID等各種功能，可適合各種應(yīng)用場合.

圖3 一拖二模式的變頻恒壓供水系統(tǒng)電氣接線圖

然后是PLC的選型.根據(jù)實(shí)際需要的輸入輸出I/O點(diǎn)數(shù)再加上預(yù)留10%～15%的點(diǎn)數(shù)確定PLC容量.本系統(tǒng)選用三菱FX2N-48MR繼電器輸出型PLC[10]，一拖二模式的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)電氣接線如圖3所示.

圖3中，KM1～KM6為電磁式繼電器對應(yīng)的開關(guān)，KH1～KH3為過熱保護(hù)繼電器對應(yīng)的開關(guān)，STF為變頻器控制泵機(jī)正轉(zhuǎn)，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(jù).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(yùn)行的依據(jù).當(dāng)模式切換為手動后，每臺泵均可手動運(yùn)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(shè)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(shè)計

作為核心控制器的PLC，其功能主要是對泵機(jī)的控制.在一般用水情況下，工作泵應(yīng)處在四種狀態(tài)中循環(huán)運(yùn)行，即泵1變頻泵2停止運(yùn)行，泵1工頻泵2變頻運(yùn)行，泵1停止泵2變頻運(yùn)行，泵1變頻泵2工頻運(yùn)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(jīng)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(jī)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)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(jī)的沖擊，例如由泵1變頻切換為泵2變頻運(yùn)行，其梯形圖程序如圖5(b)所示.當(dāng)超高負(fù)荷即用水量特別多的時候，備用泵開啟，限時運(yùn)行后自動停止，其梯形圖程序如圖5(c)所示.而當(dāng)用水量特別少即超低負(fù)荷的時候，變頻泵在最低頻率下運(yùn)行還有多余揚(yáng)程，則指示燈閃爍，以提示工作人員可在系統(tǒng)停止運(yùn)行的情況下重新設(shè)置較低的變頻下限值.此外，工作泵還利用軟繼電器設(shè)置了電氣互鎖.

圖4 自動模式下的泵機(jī)控制程序流程

圖5 恒壓供水系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的梯形圖程序

5 系統(tǒng)測試

5.1 變頻器參數(shù)設(shè)置

設(shè)某變頻恒壓供水系統(tǒng)，采用變頻器的內(nèi)置PID控制，壓力傳感器采集的壓力信號為4～20mA，其對應(yīng)壓力為0～10kg，系統(tǒng)要求管網(wǎng)壓力為4kg，設(shè)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(shù)設(shè)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(shè)置PU運(yùn)行模式.

Pr.128=20，PID負(fù)作用，測量值由端子4輸入，設(shè)定值由端子2設(shè)定.

Pr.129=100%，PID比例(P)范圍常數(shù)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(biāo)值設(shè)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(yùn)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(shè)定其狀態(tài)和數(shù)值，從而進(jìn)行仿真操作[11].

在GX Developer編程軟件環(huán)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(huán)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(huán)境下，仿真系列選擇GOT-A900，載入工程畫面之后，即可按泵機(jī)控制流程來操作輸入點(diǎn)圖塊.經(jīng)過測試PLC的邏輯功能，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果正確.

6 結(jié)束語

一拖二模式的變頻器內(nèi)置PID調(diào)速變流量恒壓供水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，其程序設(shè)計容易.工作泵循環(huán)運(yùn)行，可得到均勻利用，泵變頻切換平穩(wěn).通過對上限幅值FUP的設(shè)置，特別在用水高峰期，備用泵也可限時運(yùn)行.手動模式主要是為了系統(tǒng)運(yùn)行檢測，在消防用水時也可切換.系統(tǒng)通過測試，可觸屏監(jiān)控，具有友好的人機(jī)界面和良好的動靜態(tài)運(yùn)行性能，性價比較高.

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

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(責(zé)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(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院信息工程系講師，南昌大學(xué)信息工程學(xué)院碩士生.研究方向：電氣自動化.

TP23

A

1008-4681(2017)02-0026-04