無級變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應用

1、    無級變頻調(diào)速在恒壓供水系統(tǒng)中的應用    金昊摘要：本文介紹了用plc進行邏輯控制，變頻器調(diào)節(jié)壓力的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)。由plc控制變頻與工頻切換，再經(jīng)過pid運算，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。實驗運行表明，該供水系統(tǒng)有著結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，恒壓穩(wěn)定等優(yōu)點。關鍵詞： plc；變頻器；恒壓供水；pid：tp311 ：a ：1009-3044（2016）15-0241-03在當今社會，隨著人們生活質(zhì)量的提高，人們對住宅的供水質(zhì)量和供水可靠性要求不斷提高，利用先進的自動化技術設計出符合當今社會用水要求的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本設計主要針對日常居民用水。

2、控制系統(tǒng)由變頻器，plc和pid調(diào)節(jié)器組成，用以調(diào)節(jié)水泵的出水流量。電動機泵組由四臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水出口流量的壓力來控制變頻器電動機泵組之間的切換，從而使系統(tǒng)運行在設定的合理范圍，從而保證供水水壓。1概述20世紀90年代前，我國的住宅小區(qū)和商住樓一般是低層建筑，其供水方式一般采用樓頂水箱的供水方式，由樓底水泵將用水打到樓頂水箱，水箱中的水利用重力將水輸送到各層用戶中。這一供水方式有安裝簡單、成本低廉的優(yōu)勢，但是隨著社會的進步和城市的建設暴露出越來越多的缺點：第一、隨著科學技術和社會經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑已成為現(xiàn)代城市的標志。高樓層的供水并不是把水直接打到頂樓水箱那么

3、簡單的，因為如果為了能將水打到三四十層樓上的水箱而將水壓提升過高，水管的壓力會過大而承受不住，因此舊式的供水系統(tǒng)不適合高層建筑使用第二、樓底的水泵需要安排專門的人來控制水泵，水用完了開啟水泵，水滿了關閉，這樣既麻煩也浪費人力，后來時間繼電器被拿來來控制水泵的啟停，可是季節(jié)變化和時間變化后，繼電器的時間設置就要重新調(diào)整，其效果也不盡如人意。第三、樓頂設置水箱，會造成樓內(nèi)生活用水的二次污染。因水箱長期不能清洗，因此長期積累的水垢以及密封環(huán)境中滋生的細菌，使得即便是較為清潔的自來水進入水箱后也會受到污染，而這是設置水箱供水不可避免的缺陷。第四、夏季和冬季，住戶用水量明顯的不同。冬季住戶用水少，水壓過

4、高容易造成水管破裂；夏季住戶用水多，水壓過低造成住在高層的住戶沒水使用或流出水量很少。基于以上四點，由于變頻器能對電機進行平滑調(diào)速而且不改變電機固有的機械特性，從而完美的應用在了水泵上。再加上變頻器的軟啟動特征，從而使恒壓變頻供水領域進入了一個全新的階段。90年代后期，多數(shù)住房取消了原有的水箱供水。取而代之的，就是我們稱為恒壓供水的區(qū)域供水系統(tǒng)。上圖是供水系統(tǒng)前端構(gòu)成。供水管網(wǎng)的汲水口位于水源中，當電機帶動泵浦的葉輪旋轉(zhuǎn)，水就被從水源中汲入管道中，并從另一端出水口被送往千家萬戶。在管道上分布著壓力表和傳感器等檢測儀表、器件，用來對管道內(nèi)部的水壓進行監(jiān)控，同時檢測結(jié)果是送到變頻器內(nèi)部的。再由變頻

5、器對反饋回來的信號運算后來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。使用變頻器對供水管網(wǎng)動態(tài)控制的優(yōu)點：（1）節(jié)能：水泵的運行轉(zhuǎn)速可以隨所需水量的變化而變化。（2）克服了過去老式供水系統(tǒng)的弊端，改為按需供水，而不是定量供水。（3）節(jié)約了人工，可以實現(xiàn)無人值守。（4）變頻器與plc配合使用，具備參數(shù)設定方便靈活、保護功能完善、和定時喚醒等優(yōu)點。2可編程控制器plcplc模塊選擇：imatic s7-200屬于西門子小型plc系列產(chǎn)品，是整體式plc。使用于各領域中的檢測，監(jiān)測及控制的自動化應用。s7-200系列有以下特點：極高的可靠性；極豐富的指令集；易于掌握；便捷的操作；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性；強大的通信能力；豐

6、富的擴展模塊。s7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，還是在連成網(wǎng)絡時皆能實現(xiàn)復雜控制功能。s-200系列具有極高的性能價格比。因此，選擇選用s7-200cn。3 西門子mm430_風機水泵負載專用變頻器電力負載中風機和泵類負載的用電量約占總用電量的60%70%。因此風機和泵類的節(jié)能問題就顯得尤為重要，西門子公司根據(jù)不同應用環(huán)境和應用特點推出專用型變頻器。micromaster430 變頻器的設計具有高效率和準確控制、安裝靈活等特點。它除了具有歷代變頻器的特點外，還同時具有用于泵類的軟件和硬件特性，特別適合用于風機和泵的控制，使用此變頻器可以節(jié)約能源，最大程度上降低噪聲。4 變頻器參數(shù)

7、設定在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器是控制電機轉(zhuǎn)速使水壓保持恒定的關鍵。實際應用中，變頻器的參數(shù)設定包含兩個部分，一個部分是對于電機的變頻調(diào)速，另一個部分就是使用內(nèi)置的pid控制器實現(xiàn)對電機速度的閉環(huán)控制。4.1 標準變頻調(diào)速參數(shù)設定步驟由于本設計中使用1變頻器拖4泵的傳動結(jié)構(gòu)，并且每臺水泵都是從頻率為零開始啟動，直到50hz才切換到工頻供電，因此每臺水泵電機的參數(shù)設置完全一樣。4.2變頻器的電機pid控制通過對mm430變頻器內(nèi)置的pid控制器進行參數(shù)設置，可以根據(jù)現(xiàn)場采集到的壓力數(shù)據(jù)動態(tài)的對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，進而改變管網(wǎng)內(nèi)部的水壓，例如下圖所示5 plc對系統(tǒng)的控制本系統(tǒng)中，軟件部分包含西門子pl

8、c與mm430的通信和數(shù)據(jù)交換，以及plc對8個交流接觸器的控制。5.1 plc與mm430的數(shù)據(jù)交換plc與mm430變頻器的連接可以采取uss的總線通信，因為plc采用西門子的s7-200cn，變頻器也是西門子的mm430，因此兼容性沒有問題。使用uss所帶來的好處如下： 開放的，定義透明的系統(tǒng)。 在工業(yè)應用中證明效果很好。 減少了現(xiàn)場布線的數(shù)量；便于（不用更改布線）重新編程，監(jiān)測和控制。 速度快，可達 12mbaud。 可以由一個主站或多個主站進行操作。 通訊方式可以是點對點或廣播方式。 有支持和開發(fā)軟件供使用在本設計中采取了采用西門子公司提供的uss協(xié)議，來對s7-200和mm430進

9、行連接。下圖為電氣控制圖：6 結(jié)束語本設計給出了一個基本的水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)，從工藝規(guī)格上來說達到了設計要求，基本能夠滿足水廠供水的需求。但是本設計當中也存在一些缺陷，這些缺陷在工藝規(guī)格上并沒有具體要求，實際中確很容易帶來系統(tǒng)運行的問題，例如：1）當變頻器控制電機從變頻調(diào)速切換成為工頻運行時，電機速度會有短暫的降低，直接導致管網(wǎng)的壓力下降，而且這種壓力的下降隨著管網(wǎng)規(guī)模越大越趨向明顯，因此單純依靠變頻調(diào)速難以解決。2）若是大規(guī)模供水的場合，plc和變頻器的連接采取uss協(xié)議連接就非常不夠，因為管網(wǎng)的壓力數(shù)據(jù)采集點將會非常多，此時可以考率使用西門子公司提出的兩層自動化網(wǎng)絡，控制層采取profibus作為分散式控制和通信，底層數(shù)據(jù)的采集可以采用as-interface，直接掛接壓力變送器。3）本設計中的供水系統(tǒng)功能上來說仍不完善，例如沒有對消防泵的控制，沒有設置分時段壓力檢測和調(diào)節(jié)泵機轉(zhuǎn)速，也沒有設置休眠和休眠喚醒。參考文獻：1 柴瑞娟，陳海霞.西門子plc編程技術及工程應用m.北京：機械工業(yè)出版社，2006.2 陳亞林.plc變頻器和觸摸屏實踐教程m.南京：南京大學出版社，2008.3 姚錫祿.變頻器控制技術與應用m.北京：中國電力出版社，2009.4 西門子（中國）有限公司自化與驅(qū)動集團.西門子s7-200plc深入淺出m.北京：北航出版社，2005.5 廖常