PLC、變頻恒壓樓宇供水系統方案的設計

1恒壓供水系統的基本構成
恒壓供水泵站一般需要設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠大，在用水量少時(shí)來(lái)開(kāi)一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時(shí)供水量則相應的會(huì )不足。而且水泵與電機維修的時(shí)候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應的變頻器，從解決問(wèn)題方案這個(gè)比較簡(jiǎn)單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費的角度來(lái)看的話(huà)這樣比較昂貴。另一種方案則是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時(shí)，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿(mǎn)足不同的水量需求。如圖3-1供水系統方案圖。

圖3-1 供水系統方案圖
圖中，水泵電機是輸出環(huán)節，轉速由變頻器控制，實(shí)現變流量恒壓控制。壓力傳感器檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉變?yōu)樽冾l器可接受的模擬量信號。變頻器接受反饋信號后，根據給定信號和反饋信號的比值，進(jìn)行PID調節來(lái)控制自身的輸出頻率，從而對水泵進(jìn)行速度控制?？刂葡到y的工作原理：變頻調速恒壓供水控制zui終是通過(guò)調節水泵轉速來(lái)實(shí)現的，水泵是供水的執行單元。通過(guò)調速能實(shí)現水壓恒定是由水泵特性決定的。如圖3-2：

圖3-2 供水系統原理框圖
（1）壓力變送器
圖中在管道中裝壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時(shí)，水壓降低;用水量小時(shí)，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o變頻器，壓力變送器輸出信號是隨著(zhù)壓力而變的電壓或電流信號。當距離較遠時(shí)，應取電流信號以消除因線(xiàn)路壓降而引起的誤差。通常取4～20mA，以利于區別零信號（信號系統工作正常，信號值為零）和無(wú)信號（信號系統因斷路或未工作而沒(méi)有信號）。壓力變送器一般選取在離出水口較遠的地方，否則容易引起系統振蕩。
（2）遠傳壓力表
遠傳壓力表的基本結構是在壓力表的指針軸上附加了一個(gè)能夠帶動(dòng)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)的裝置。因此，從電路器件的角度看，實(shí)際上是一個(gè)電阻值隨壓力而變的電位器。使用時(shí)可將遠傳壓力表與變頻器直接連接。圖中P為遠傳壓力表。
電機功率較大時(shí)，系統可為每臺電機配備電機保護器，在變頻器的控制下穩定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩定時(shí)，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時(shí)被 PLC檢測到，變頻器通過(guò)控制基板自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時(shí)將一臺泵用變頻器起動(dòng)后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍不能滿(mǎn)足水壓要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。
當用水量減少時(shí)，首先表現為變頻器已工作在zui低速信號有效，這時(shí)壓力上限信號如仍出現，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個(gè)信號仍存在時(shí)，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到zui后一臺泵用主頻器恒壓供水。
2 恒壓供水的原理
變頻器控制1#變量泵與管道壓力變送器構成閉環(huán)控制系統，當變頻器運行到全速而反饋壓力仍達不到設定值時(shí)，變頻器首先降速到頻率設定值，同時(shí)內部1#繼電器動(dòng)作觸發(fā)2#泵軟啟動(dòng)器開(kāi)始運行工頻泵，投入2#工頻泵運行。這時(shí)變頻提速，尋找恒壓點(diǎn)完成*級無(wú)擾動(dòng)切換。當變頻器運行到低速而監測達到壓力設定時(shí)，在切除工頻泵之前，變頻首先提速后，再將先投入的工頻泵切除。工頻泵的投切分級循環(huán)方式可定義。
（1）手動(dòng)工頻控制方式
當轉換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)位置時(shí)，此時(shí)為工頻運行，按下啟動(dòng)按鈕1SB（綠），接觸器KM1閉合，水泵電機將工頻運行，工頻運行信號燈HL0將亮，按下停止按鈕4SB（紅），水泵電機將停止運行。該控制方式一般用于當變頻器出現問(wèn)題時(shí)使用。
（2）自動(dòng)變頻控制方式
當轉換開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)位置時(shí)，此時(shí)將投入自動(dòng)變頻控制方式，變頻器根據遠傳壓力表的反饋信號，自動(dòng)調節輸出頻率，從而改變水泵的轉速，達到恒壓供水的目的，當壓力增大時(shí)，將減小輸出頻率，使電機轉速降低，減小供水量，當壓力減小時(shí)，將增大輸出頻率，使電機轉速增高，增大供水量。
3 系統功能
（1）  PID的調節功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號(4-20MA或-5V)直接送入變頻器，設定給定壓力值，PID參數值，并通過(guò)計算比較以切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實(shí)際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。
（2） “休眠”功能
系統運行時(shí)經(jīng)常會(huì )遇到用戶(hù)用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節能，該系統設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下*，變頻器停止工作，2＃泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態(tài))。當水壓繼續升高時(shí)將停止1泵，當水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運轉2＃泵，當頻率到達一定值后將啟動(dòng)1＃泵調節2＃泵的轉速。
 “休眠值”變頻器輸出的下限頻率參數設置。
 “休眠確認時(shí)間”用參數設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間如小于休眠時(shí)間td時(shí)，即td＜tn時(shí)變頻器繼續工作，當td＞tn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)。“喚醒值”由供水壓力下限啟動(dòng)，當供水壓力低于下限值時(shí)由變頻器向PLC發(fā)出喚醒指令。
　經(jīng)測試“休眠值”為10HZ。
“休眠確認時(shí)間”td:20s
“喚醒值”70%
（3） 通訊功能
該系統具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口，PLC可選用三菱的FX0n，計算機可以與一套或多套系統進(jìn)行通訊.利用計算機同時(shí)可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類(lèi)參數。
4 恒壓供水系統控制分析
水泵出口壓力恒定控制，它適用于管網(wǎng)系統阻力損失占總揚程比例較小的情況。
管網(wǎng)末端壓力恒定控制，適用于小區管網(wǎng)線(xiàn)路長(cháng)，流量變化產(chǎn)生的阻力損失占總揚程比例較大時(shí)，以管網(wǎng)末端不利點(diǎn)，所需壓力進(jìn)行恒壓控制，達到zui節能的要求?？刂品绞降倪x擇，要結合供水規模，供水對象，設備費用，長(cháng)期運轉費及我國現有電器產(chǎn)品性能等進(jìn)行綜合考慮比較后確定。水泵出口恒壓控制，由于電控系統比較簡(jiǎn)單，便于查出故障和維護，故在我國建筑小區供水系統采用廣泛。
 水泵轉速變化幅度一般調在（80%~100%）n，n為水泵每分鐘轉數，單位r/min，因為這個(gè)范圍內機組和電控設備的總效率比較高。
當啟信號輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)*臺泵當該泵達到zui高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動(dòng)下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時(shí)，先停止zui先啟動(dòng)的泵。
4.1 過(guò)程控制
以?xún)膳_水泵的恒壓供水系統為例，系統在自動(dòng)運行方式下，變頻器控制可編程控制器軟啟動(dòng)1#泵，此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運行狀態(tài)，其轉速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時(shí)（Qmax為兩臺水泵全部工頻運行時(shí)的zui大流量），可編程控制器CPU根據根據供水量的變化自動(dòng)調節1#泵的運行轉速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax<Q<Q<Qmax時(shí)，可編程控制器發(fā)出指令再將2#泵置于工頻運行狀態(tài)，同時(shí)軟啟動(dòng)2#泵進(jìn)入變頻運行工況，此時(shí)2#泵的運行轉速由用戶(hù)的用水量確定，以保證供水系統zui不利點(diǎn)的供水壓力恒定。
4.2 控制系統保證
（1）工頻/變頻控制方式的轉換操作
為保證系統的可靠性，必須提供工頻/變頻兩種操作方式，以減少因變頻器故障或設備檢修維護等原因而造成無(wú)法供水的現象，要求控制系統必須設立手動(dòng)工頻操作方式，一般采用轉換開(kāi)關(guān)或組合開(kāi)關(guān)作為選擇操作設備。
（2）自動(dòng)運行
即每一臺泵具有變頻自動(dòng)恒壓控制功能，當用水量不夠時(shí)，可自動(dòng)投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
（3）手動(dòng)運行
當壓力傳感器故障或變頻器故障時(shí)，為確保用水，每臺泵可分別以手動(dòng)工頻方式運行。將轉換開(kāi)關(guān)打到“工頻”檔位，操作人員可以根據需要自己決定起動(dòng)或停止任意一臺泵的運行。由于在該操作方式下， PID、變頻器等均不參加控制，因此，從技術(shù)角度上來(lái)說(shuō)，該方式無(wú)法保障出水管網(wǎng)壓力值的恒定，所以必須有人監守。該方式主要供設備故障檢修時(shí)使用。
5 水泵的轉速與其揚程H、流量Q及功率的關(guān)系
（揚程：是指水泵單位質(zhì)量的液體通過(guò)泵后所獲得的能量，通常稱(chēng)之為揚程。用H表示。
流量：流量是水泵在單位時(shí)間內所抽送液體的數量，常用的流量是體積流量，用Q表示，其單位是m3 /h。
根據流體力學(xué)原理可知，當水泵的轉速發(fā)生變化時(shí)，其揚程H、流量Q及水泵功率P也隨之變化，他們之間有以下關(guān)系：
Q2/Q1=(n2/n1)
 H2/H1=(n2/n1)2
 P2/P1=(n2/n1)3
即流量Q與轉速n的一次方成正比；揚程H與轉速n的平方成正比；水泵功率P與轉速n的立方成正比。下面表3-1可較為直觀(guān)的理解。
表3-1離心水泵的參數