張松濤，呂 飛，吉 哲

船舶變頻恒壓日用水供水裝置設(shè)計(jì)

張松濤，呂 飛，吉 哲

（海軍士官學(xué)校，安徽蚌埠 233012）

把PLC和變頻器應(yīng)用到船舶日用水供水裝置中，采用PID控制方式，設(shè)計(jì)了恒壓供水裝置的控制系統(tǒng)，綜合了PLC可靠性高、控制功能強(qiáng)和變頻器可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目標(biāo)，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(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)拖動(dòng)水泵，由壓力繼電器控制水泵的運(yùn)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(wěn)定，設(shè)備體積大、質(zhì)量重，且能耗高。本文采用PLC和變頻器設(shè)計(jì)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(wěn)定，且具有體積小、重量輕、保護(hù)功能全、噪音低、能耗小等特點(diǎn)。裝置設(shè)計(jì)了自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行工況，可提高運(yùn)行的可靠性，能較好地適應(yīng)船舶工作環(huán)境。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)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(tái)水泵機(jī)組、4臺(tái)隔膜氣壓罐及相關(guān)附件等組成，控制箱采用PLC和變頻器控制水泵運(yùn)行，軟件部分主要為PLC控制程序，用于控制整個(gè)裝置的運(yùn)行。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)組成

1.2 裝置運(yùn)行工況

裝置有兩種運(yùn)行工況，即自動(dòng)工況和手動(dòng)工況，正常使用時(shí)，通常采用自動(dòng)工況，由PLC控制變頻器帶動(dòng)水泵運(yùn)行；當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可采用手動(dòng)工況，手動(dòng)工況由傳統(tǒng)的壓力繼電器控制電機(jī)定頻工作，以備應(yīng)急使用。

1.2.1自動(dòng)工況控制

裝置自動(dòng)工況運(yùn)行時(shí)，通過壓力變送器檢測(cè)水壓，把水壓值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，發(fā)送給PLC，PLC把水壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果算出需要啟動(dòng)水泵的數(shù)量及運(yùn)行頻率，把指令信號(hào)發(fā)送給變頻器和接觸器，控制水泵的運(yùn)行、調(diào)速和停止，進(jìn)而達(dá)到恒壓供水的目的。

1.2.2手動(dòng)工況控制

當(dāng)可編程控制器或變頻器發(fā)生故障時(shí)，可轉(zhuǎn)至手動(dòng)工況，由壓力繼電器直接控制單臺(tái)水泵運(yùn)行，當(dāng)水柜壓力低于規(guī)定值時(shí)，水泵啟動(dòng)，定頻運(yùn)行，當(dāng)水柜壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

1.3 安全保護(hù)措施

船舶工作環(huán)境惡劣，裝置長(zhǎng)期工作在高溫、高濕、高鹽的環(huán)境中，容易發(fā)生故障。為了確保裝置的安全，設(shè)置多種保護(hù)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(cè)、報(bào)警及保護(hù)停機(jī)功能。

1.4 裝置主要特點(diǎn)

裝置采用體積較小的隔膜氣壓罐，相對(duì)于傳統(tǒng)的壓力水柜，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)；通過變頻器控制水泵運(yùn)行，可避免水泵頻繁啟停，能明顯減小運(yùn)行噪音，且具有節(jié)能的特點(diǎn)；裝置設(shè)計(jì)多種保護(hù)措施，能提高安全性能，適合于船舶惡劣的工作環(huán)境。

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置由供水模塊和控制箱組成，供水模塊由4臺(tái)水泵機(jī)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(zhuǎn)換開關(guān)、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(jī)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(jī)組為4臺(tái)單機(jī)功率為4kW的船用變頻電機(jī)及離心水泵；隔膜氣壓罐單個(gè)容積為15升，共有4只，用于減少水錘沖擊，穩(wěn)定水壓；壓力變送器用于向PLC提供系統(tǒng)水壓值，進(jìn)而控制水泵調(diào)速運(yùn)行，使水壓穩(wěn)定在設(shè)定值；壓力繼電器用于手動(dòng)工況下控制水泵的啟動(dòng)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(tǒng)管路。裝置置于自動(dòng)工況時(shí)，水壓可穩(wěn)定在0.4 MPa，裝置工作于手動(dòng)工況時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，可實(shí)現(xiàn)水泵變頻輕載啟動(dòng)，減少電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)沖擊電流和水泵的機(jī)械沖擊，降低裝置運(yùn)行噪聲。能夠使供水量與用水量自動(dòng)匹配，水壓控制精度高，節(jié)能效果比較明顯[3]。本裝置選用施耐德公司生產(chǎn)的ATV61型變頻器，其頻率控制范圍為0～1000 Hz，調(diào)速范圍廣，具有可靠性高、功能先進(jìn)、性能出眾、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 PLC

經(jīng)過計(jì)算，供水裝置的PLC共有12個(gè)輸入信號(hào)和14個(gè)輸出信號(hào)，選用可靠性高、控制功能強(qiáng)的西門子S7-200 CPU224基本單元（14入，10出）和EM223擴(kuò)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(jù)估算，本裝置大約需要1 K字節(jié)的內(nèi)存容量，選用的PLC也能滿足要求。

2.2.3轉(zhuǎn)換開關(guān)

轉(zhuǎn)換開關(guān)用于轉(zhuǎn)換裝置的工作工況以及選擇啟動(dòng)水泵，裝置可在自動(dòng)工況和手動(dòng)工況之間切換，可手動(dòng)選擇啟動(dòng)水泵的數(shù)量以及指定啟動(dòng)某臺(tái)或多臺(tái)水泵。

2.2.4控制按鈕和指示燈

控制按鈕用于裝置的啟動(dòng)和停止，指示燈用于電源指示、裝置工作狀態(tài)指示、水泵運(yùn)行指示和報(bào)警指示等。

3 軟件設(shè)計(jì)

裝置中的PLC采用PID[4～6]（比例、微分、積分）閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)水壓的恒定，比例調(diào)節(jié)起主要作用，微分調(diào)節(jié)可產(chǎn)生超前控制作用，用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，積分調(diào)節(jié)用于消除余差。PID控制具有理論成熟、算法簡(jiǎn)單、效果較好等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)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(shè)計(jì)的程序流程圖[7～9]如圖4所示。

裝置采用自動(dòng)控制模式時(shí)，由PLC和變頻器控制裝置的運(yùn)行，當(dāng)管路壓力低于設(shè)定值（0.4MPa）時(shí)，會(huì)啟動(dòng)處于停止?fàn)顟B(tài)且累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵，通過PID控制水泵的運(yùn)行。如果操作人員指定某臺(tái)泵或某幾臺(tái)泵運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)從指定的泵中選擇處于停止?fàn)顟B(tài)且累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵啟動(dòng)。

供水壓力依靠變頻和增減水泵共同控制，優(yōu)先采用變頻進(jìn)行水壓控制，在變頻控制不能達(dá)到設(shè)定水壓一定時(shí)間后，通過增減水泵進(jìn)行水壓調(diào)節(jié)，直至達(dá)到設(shè)定壓力。當(dāng)運(yùn)行水泵的電源頻率達(dá)到50 Hz，且水壓依然低于設(shè)定值達(dá)到300 s后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出增泵指令，增加1臺(tái)水泵為系統(tǒng)供水，如此循環(huán)，最多啟動(dòng)4臺(tái)水泵，直至水壓達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)管路壓力高于設(shè)定值（0.4 MPa）時(shí)，PLC通過PID反向控制水泵的運(yùn)行，當(dāng)頻率降低至0 Hz，且水壓依然高于設(shè)定值達(dá)到300秒后，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出減泵指令，停止運(yùn)行水泵中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的水泵，如此循環(huán)，直至水壓達(dá)到設(shè)定值。

4 小結(jié)

船舶日用水供水裝置采用PLC和變頻器進(jìn)行PID控制，能夠提高水壓控制的精確度，使供水壓力保持穩(wěn)定，且具有可靠性高、體積小、重量輕、保護(hù)功能全、噪音低、能耗小等優(yōu)點(diǎn)；裝置具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行工況，可靠性高，能夠適應(yīng)船舶惡劣的工作環(huán)境，本文的設(shè)計(jì)可明顯提高日用水供水裝置的綜合性能。

[1] 馬小亮. 調(diào)速用交-直-交電壓型變頻器的幾個(gè)應(yīng)用問題[J]. 電氣傳動(dòng), 2020, 50(1): 3-13．

[2] 謝仕宏, 孟彥京, 高鈺淇等. 一種小電容交-直-交變頻器控制策略[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2019, 23(8): 78-86．

[3] 李佳宣, 李鵬宇, 陳庚等. 基于MATLAB/Simulink的變頻電機(jī)系統(tǒng)能耗實(shí)用模型[J]. 電機(jī)控制與應(yīng)用, 2017(5): 84-89, 120．

[4] 薛同來, 趙冬暉, 韓菲. 基于PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2019, 32(10): 56-57．

[5] 劉鑫, 李鵬飛. 下位機(jī)PLC和上位機(jī)組態(tài)軟件在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電氣傳動(dòng)自動(dòng)化, 2016, 38(4): 29-34．

[6] 梁棟, 徐錦. 基于PID控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)試, 2016, (16): 149-150．

[7] 張瑜, 沈敏, 劉彥芬等. 基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 智慧工廠, 2019, 24(7): 58-60．

[8] 陳頡. 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)[J]. 儀器儀表用戶, 2019, 26(2): 21-24, 65．

[9] 李張義, 潘炳發(fā). 自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述[J]. 科學(xué)與信息化, 2019(3): 27-29．

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