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王濤 王愛國

1  概述

    變頻調(diào)速的恒壓供水方式既節(jié)能又可提高供水質(zhì)量，是目前應用比較多的高樓供水方式。筆者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗，對于恒壓供水系統(tǒng)的設計、應用進行了總結(jié)，對應用中存在的問題進行了分析，并收集了目前比較先進的技術(shù)設備資料，對恒壓供水系統(tǒng)的方案設計提出了一些建議，以供參考。

2  系統(tǒng)組成方案

    變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機、供水管網(wǎng)、儲水箱、PID調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、控制單元等部分組成。其控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1  恒壓供水系統(tǒng)控制原理圖

    對于實際的供水系統(tǒng)，泵組電機可采用多臺，變頻器在工作時只對其中的一臺進行調(diào)頻，因此，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺數(shù)后，變頻器只對最后投入的電機進行調(diào)速，其它已投入的電機則在工頻下全速運行。泵組電機由變頻器供電到由工頻電源供電的切換過程由邏輯控制單元PLC實現(xiàn)。
以一個由3臺主泵電機+1臺輔泵電機組成的恒壓變頻供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。系統(tǒng)的主要組成部分是變頻器、壓力調(diào)節(jié)器、邏輯控制單元PLC和傳感器，這幾個部分的設計對整個系統(tǒng)的設計及性能至關(guān)重要。

圖2  供水系統(tǒng)組成原理圖

3  系統(tǒng)主要功能及工作原理

    系統(tǒng)設有手動和自動兩種工作方式。
    手動：通過各臺電機的按鈕控制其在工頻下運行和停止，主要用于檢修時。
    自動：由變頻器和PLC聯(lián)合控制各臺電機投入、退出、工頻及變頻運行方式。
PLC首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵，此時安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反饋回壓力調(diào)節(jié)器，與給定值進行比較后調(diào)節(jié)器運算出控制量，調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率及電壓，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。
    當用水量大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管網(wǎng)壓力仍未達到給定值下限，PLC將當前運行的變頻泵切換到工頻運行，再將變頻器投入到第二臺泵，由變頻器軟啟動該臺泵并進行變頻調(diào)速控制。這時如果管網(wǎng)水壓能夠維持在給定值范圍內(nèi)，則電機一臺工頻一臺變頻運行；如果管網(wǎng)水壓仍達不到下限值，則由PLC控制將第二臺泵切換到工頻，再由變頻器軟啟動第三臺泵，并進行變頻調(diào)速運行，直到管網(wǎng)壓力達到給定值。這時一臺電機變頻，其他電機工頻運行。

    當用水量小時，管網(wǎng)壓力高于給定值上限，而變頻器輸出頻率已達最小值時，則由PLC將最先投入的電機退出運行，由變頻器經(jīng)過一定時間的調(diào)整后，如管網(wǎng)壓力在上下限以內(nèi)，調(diào)整結(jié)束；如管網(wǎng)壓力仍高于上限值，再由PLC控制退出第二臺投入的電機，依此進行下去，直到管網(wǎng)壓力達到要求。

    在夜間無用水量時，PLC將三臺主泵依次退出運行，而只投入輔助小泵，以維持管網(wǎng)水壓（因為在泵量不大時，變頻器的節(jié)能效果已不明顯）。

    為提高泵組的整體使用壽命，泵組的切換方式采用泵組不分主次，先投入者先退出，后投入者后退出的轉(zhuǎn)換原則，使各泵組輪流工作，使用率均衡，且可防止出現(xiàn)把等效電源反向接入變頻器的情況發(fā)生。

    蓄水池內(nèi)設有液位控制，當液位過低時，它會向PLC發(fā)出信號，使系統(tǒng)停機，以防水泵抽空，并發(fā)報警。

4  系統(tǒng)設備選擇與設計

    恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、控制器、PLC及壓力傳感器等組成，因此，這些設備的選擇與設計將直接影響系統(tǒng)的性能和可靠性。

    (1)  變頻器：恒壓供水系統(tǒng)變頻器一般采用VVVF控制方式，即通過改變電源電壓和頻率而控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)水壓。
    根據(jù)目前市場上現(xiàn)有變頻器的情況，適于恒壓供水系統(tǒng)的性價比較高的機型有很多，功率在0.4～90kW范圍，而且，現(xiàn)在大多變頻器均帶有內(nèi)置PID控制器及數(shù)據(jù)通訊接口，大大方便了用戶。進口變頻器價格在0.5～9萬元之間，如YASKAWA變頻器，臺達變頻器等；國產(chǎn)變頻器現(xiàn)在無論在技術(shù)上還是在性能上均有了很大的提高，可與進口產(chǎn)品媲美，而價格只有0.2～4萬元，如安邦信變頻器、森蘭變頻器等。

    目前大多變頻器都帶有內(nèi)置PID控制器，使供水系統(tǒng)運行維護更方便，選用時可考慮。

圖3  變頻器設計

    圖3為筆者設計的一高樓供水系統(tǒng)的變頻器，選用的是國產(chǎn)華為變頻器（帶內(nèi)置PID控制器）。圖中，M1、M2為極限輸出頻率檢測輸出信號端，送入PLC作為泵組工頻、變頻的切換控制信號。變頻器的極限輸出頻率上限可設為50Hz，下限頻率可設為20Hz。

    S1、S2、Sc－由PLC控制變頻器的運行與關(guān)斷。

    FI、FC－輔助輸入端，用于接來自壓力傳感器的反饋信號。

    (2)  控制器：恒壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器，可利用變頻器的內(nèi)置PID控制器，也可把PID控制器設計在PLC邏輯控制單元中，利用PLC的PID控制模塊實現(xiàn)。

    對于較復雜的供水系統(tǒng)，當水壓變化頻繁且范圍較大時，PID控制器往往難以滿足控制要求，而變頻器內(nèi)置PID控制器參數(shù)的選擇多采用試湊的方法，帶有盲目性，對于復雜系統(tǒng)，很難調(diào)試出滿意的結(jié)果。因此，在設計控制器時，應針對實際的供水系統(tǒng)，對控制要求簡單的可利用變頻器的內(nèi)置PID控制器或PLC的PID功能單元，而對于復雜的供水系統(tǒng)則應單獨設計控制器，可采用專用微機控制器進行設計。配合變頻器而設計的專用微機控制器類型很多，可根據(jù)要求設計為PID控制器、FUZZY控制器等多種形式。

    (3)  PLC：PLC類型很多，如OMRON的P型機，三菱的FX2系列等均可。

    (4)  壓力傳感器：壓力傳感器類型也較多，筆者在設計中選用了YTZ-150型壓力傳感器，其為帶電接點式，水壓檢測范圍為0～1MPa，精度為 0.01MPa，將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)?～10V的電信號，反饋回變頻器。該傳感器可設定壓力上、下限值，當管網(wǎng)壓力處于上下限以外時，傳感器分別輸出開關(guān)信號進PLC的兩個輸入接點，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起控制泵組的變頻與工頻的切換及工頻工作泵的切除。

5  系統(tǒng)設計

    根據(jù)上述步驟設計的由PLC實現(xiàn)的恒壓供水系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4  恒壓供水系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)軟件流程圖

6  總結(jié)

    變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由于其優(yōu)越的性能和顯著的節(jié)能效果，被廣泛地應用在各類供水系統(tǒng)中。筆者設計的這套系統(tǒng)是針對居民高樓供水系統(tǒng)設計的，具有一定的代表性。其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：
(1)  供水壓力平穩(wěn)，變頻調(diào)速保持水網(wǎng)壓力恒定的調(diào)節(jié)性能優(yōu)越，壓力變化在0.01MPa以內(nèi)；
(2)  高效節(jié)能，系統(tǒng)4臺工作泵維持正常工作時的水壓，且由變頻器控制轉(zhuǎn)速，可有效解決不同用水量時出現(xiàn)大馬拉小車問題和電機輕載或空載時節(jié)能問題；
(3) 整個系統(tǒng)自動化程度高，不需人員職守，故障時可以自動保護并發(fā)出報警信號。
由此可見，在目前電力供應異常緊張的情況下，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由于其優(yōu)異的性能和顯著的節(jié)能效果，尤其受到用戶的青睞，具有很好的推廣使用前景。