陳建明，李秦月

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045）

變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳建明，李秦月

（華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院，河南 鄭州450045）

針對(duì)能源緊缺、人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高的問(wèn)題，提出技術(shù)上提前、通信控制方面穩(wěn)定性強(qiáng)、節(jié)省能量并且應(yīng)用到各種工程中的這種可改變的頻率供水的系統(tǒng)方案提出是有必要的。此系統(tǒng)采用變頻恒壓控制，PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行和設(shè)備安全保護(hù)。系統(tǒng)中有無(wú)水檢測(cè)裝置以保護(hù)水泵防空載運(yùn)行；具有故障保護(hù)、定時(shí)切換等功能，以保證供水不間斷和水泵均衡使用；采用模擬量壓力檢測(cè)設(shè)備，使出水管網(wǎng)壓力穩(wěn)定；部分采用變頻休眠方式，大大節(jié)約了電能。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。

變頻調(diào)速；PLC

我國(guó)近年來(lái)對(duì)于在居民住宅用水、大型農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)蓄水等方面上的提供水資源的技術(shù)設(shè)備相對(duì)較不好。我國(guó)傳統(tǒng)供水的壓力較多使用多次開(kāi)關(guān)電機(jī)來(lái)控制，這樣的供水方式消耗較多的能量、影響了電網(wǎng)中的負(fù)荷、減少了設(shè)備的使用時(shí)間；本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速壓力一定的運(yùn)行方法穩(wěn)定性強(qiáng)、少啟動(dòng)、可靠，減少了電氣及機(jī)械的沖擊，消除了水塔供水引起的二次污染[1]。此次可調(diào)頻[2]壓力恒定的供水系統(tǒng)集變頻調(diào)速技術(shù)、PLC與PID控制技術(shù)、壓力傳感技術(shù)等為一體，組成了完整封閉的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

本文主要通過(guò)研究PLC來(lái)控制變頻器[3]用于實(shí)現(xiàn)恒壓供水。變頻器用的是西門(mén)子公司泵類(lèi)系列專門(mén)使用的型號(hào)為MM440的變頻器，對(duì)于變頻器的使用首先針對(duì)PLC的工作原理了如指掌，再對(duì)軟件程序設(shè)計(jì)[4]和編程[5]步驟方法明確于心，這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)意義重大?？刂撇糠值挠布O(shè)備用的是S7-200系列的PLC（CPU222），在控制運(yùn)行中電控部分是由PLC（CPU222）[6]控制完成的，變頻器用于完成PID控制。這個(gè)供水系統(tǒng)讓出口處的水流量做可控目標(biāo)，去實(shí)現(xiàn)出口官網(wǎng)的實(shí)際水的壓力與預(yù)先設(shè)定的供水壓力基本一致。這個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力在每個(gè)時(shí)間當(dāng)中都是常數(shù)，因此它既是常數(shù)又是分段時(shí)間函數(shù)。特定的時(shí)間當(dāng)中，控制出口處的水的壓力就是維持在預(yù)先設(shè)計(jì)的供水壓力上。這套供水系統(tǒng)在恒定的壓力下通過(guò)用戶管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)檢測(cè)水壓并將它轉(zhuǎn)化為4～20毫安的電壓信號(hào)，檢測(cè)到的這個(gè)電壓信號(hào)是關(guān)鍵性數(shù)據(jù)用于實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的。因此個(gè)電壓信號(hào)為模擬量，需要經(jīng)過(guò)A/D模擬轉(zhuǎn)數(shù)字這個(gè)轉(zhuǎn)換部分，通過(guò)對(duì)比讀進(jìn)來(lái)的值和固定的值將它們對(duì)比后的差值運(yùn)算，這種通過(guò)PID運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)D/A數(shù)字轉(zhuǎn)模擬部分去當(dāng)成變頻的輸入部分，這個(gè)輸入信號(hào)用來(lái)控制輸出頻率，并且同時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)監(jiān)測(cè)水泵出口處的流量實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。見(jiàn)圖1.

圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的流程

2.1 系統(tǒng)的主要部分

圖 2中 N、L1、L2、L3是主電路部分；FU 是這個(gè)電路上的熔斷器；QS1、QS2、QS3、QS4 是四個(gè)隔離開(kāi)關(guān)，目的是將變頻器和M1、M2、M3三臺(tái)電機(jī)的主電路隔離開(kāi)來(lái)的。KM1、KM2接觸器控制的是電機(jī)M1；KM3、KM4 控制的是電機(jī) M2；KM5、KM6 控制的是電機(jī)M3；在三個(gè)電機(jī)上分別又帶了三個(gè)熱繼電器FR1、FR2、FR3，這個(gè)攜帶的目的是用于三臺(tái)水泵電機(jī) M1、M2、M3 過(guò)載保護(hù)。

圖2也清楚的可以說(shuō)明這個(gè)主要電路的三個(gè)水泵的運(yùn)行過(guò)程：在這三個(gè)水泵中有且只有一個(gè)水泵做變速運(yùn)行，其他兩個(gè)水泵以恒定的速度做工頻運(yùn)行。當(dāng)用戶需水量非常小的時(shí)候，這個(gè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)“倒泵”現(xiàn)象。即做改變速度運(yùn)行的那個(gè)水泵持續(xù)工作3個(gè)小時(shí)就必須切換到下一臺(tái)水泵。這種倒泵現(xiàn)象可以減小危險(xiǎn)事件的發(fā)生，并且消耗的能量較少，這樣才能在保證人身安全的情況下正常安全供水。

圖2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖

2.2 系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)

圖3表示的是整個(gè)系統(tǒng)的控制回路部分，N、L1是電路部分，SA為轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，它在1時(shí)為手動(dòng)控制、在2時(shí)為自動(dòng)控制這兩種方式，SA撥動(dòng)到1時(shí)利用SB1、SB2、SB3、SB4、SB5、SB6 來(lái)控制三個(gè)水泵的關(guān)和開(kāi)。SA撥動(dòng)到2時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行控制狀態(tài)，這種控制是由PLC程序控制的，我們可以從HL10指示燈的狀態(tài)觀察是否處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。KA是對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位的元器件，Q0.0～Q0.5是PLC輸出繼電器的觸點(diǎn)，經(jīng)過(guò)這些觸點(diǎn)的動(dòng)作分別與HL7、HL8、HL9相連接，在其連接的線上標(biāo)了各種數(shù)字，這些數(shù)字是為了方便接線和檢查。

圖3 系統(tǒng)控制電路圖

此系統(tǒng)設(shè)計(jì)在手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制運(yùn)行下的過(guò)程：

（1）手動(dòng)控制運(yùn)行：手動(dòng)控制適用于檢查故障和維修使用。SA被置于 1時(shí)，SB1、SB2、SB3關(guān)閉，1KM1至KM3處于自鎖狀態(tài)，KM1到KM3控制下的電機(jī)運(yùn)行。SB2、SB4、SB6、被按下去會(huì)切斷電路這樣阻止了KM中的電流通過(guò)這樣電機(jī)停止了運(yùn)行。

（2）自動(dòng)控制運(yùn)行：當(dāng)電源指示燈HL10處于亮著的狀態(tài)表示自動(dòng)控制狀態(tài)。當(dāng)SA在2位置時(shí)系統(tǒng)在自動(dòng)控制模式，這時(shí)PLC程序控制的。Q0.0輸出1號(hào)水泵運(yùn)行的信號(hào)，這時(shí)KM1斷開(kāi)上流過(guò)電流，KM1、KM2互鎖，指示燈HL1燈被點(diǎn)亮。同上所述，Q0.1輸出1時(shí)，線圈KM2流過(guò)電流，指示燈HL2亮，KM2被斷開(kāi)，KM2、KM1電氣互鎖。其他兩個(gè)水泵的控制情況和上面的一個(gè)水泵一樣。Q1.1輸出1時(shí)，表示水位上下限報(bào)警的指示燈HL7亮；Q1.2輸出1時(shí)，報(bào)警指示燈HL8在變頻器故障時(shí)點(diǎn)亮；Q1.3輸出1時(shí)，處于白天供水狀態(tài)的指示燈HL7亮；Q1.4輸出1時(shí)，電鈴HA響起處于報(bào)警狀態(tài)；Q1.5輸出1，KA中間繼電器上的線圈上通過(guò)電流，KA常開(kāi)觸點(diǎn)關(guān)閉，這時(shí)變頻器的頻率將復(fù)位。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)速度控制頻率的供水系統(tǒng)在壓力一定的情況下融合變頻調(diào)速技術(shù)、PLC與PID控制技術(shù)，壓力傳感技術(shù)等多種技術(shù)。實(shí)現(xiàn)了供水變頻無(wú)塔供水管網(wǎng)壓力恒定，以滿足用戶用水的需求。

[1]許 潔．淺談建筑給水系統(tǒng)的二次污染問(wèn)題[J]。蘭州工業(yè)等?？茖W(xué)校通報(bào).2002.

[2]王廷才．主編《變頻器原理及應(yīng)用》.機(jī)械工業(yè)出版社.

[3]李建勛，歐容華．高壓變頻器在熱電廠鍋爐恒壓供水上的應(yīng)用[J].變頻世界，2008.

[4]江秀漢，湯 楠．可編程序控制器原理與應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.3.

[5]李振飛.基于梯形圖語(yǔ)言的PLC控制程序組態(tài)技術(shù)研究[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2013（7）：26-26.

[6]蔡行建，黃文鈺，李 娟．深入淺出西門(mén)子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.7.

Variable Frequency Constant Pressure Water Supply System Design

CHEN Jian-ming，LI Qin-yue
（North China University of Water Resources and Electric Power College of Electric Power，Zhengzhou Henan 450045，China）

According to the energy shortage，people on the quality and reliability of water supply system of the continuous improvement of the problem，put forward technical advance，communication control stability，save energy and applied to various engineering in this system can change the frequency of water supply is necessary.This system adopts frequency conversion constant voltage control，operation of PLC control system and equipment safety protection.The system has absolute detection device to protect the pump air running；fault protection，timing switching and other functions，to ensure uninterrupted water supply and water balance；use of analog pressure testing equipment，with stable pressure water pipe network；part of the sleep mode frequency，greatly saves energy.The utility model has the advantages of simple structure，stable performance，reliable operation，high cost performance，energy saving and the like.

frequency control of motor speed；PLC

TP29

A

1672-545X（2017）08-0257-02

2017-05-01

陳建明（1964-），男，河南鄭州人，博士，教授，研究方向檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置；李秦月（1992-），女，河南商丘人，碩士，研究生，研究方向檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。