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王濤 王愛國(guó)

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(yīng)用比較多的高樓供水方式。筆者根據(jù)自己的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行了分析，并收集了目前比較先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備資料，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)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(jī)、供水管網(wǎng)、儲(chǔ)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(duì)于實(shí)際的供水系統(tǒng)，泵組電機(jī)可采用多臺(tái)，變頻器在工作時(shí)只對(duì)其中的一臺(tái)進(jìn)行調(diào)頻，因此，在根據(jù)水壓決定投入泵組臺(tái)數(shù)后，變頻器只對(duì)最后投入的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，其它已投入的電機(jī)則在工頻下全速運(yùn)行。泵組電機(jī)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(shí)現(xiàn)。
以一個(gè)由3臺(tái)主泵電機(jī)+1臺(tái)輔泵電機(jī)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(gè)部分的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。
    手動(dòng)：通過各臺(tái)電機(jī)的按鈕控制其在工頻下運(yùn)行和停止，主要用于檢修時(shí)。
    自動(dòng)：由變頻器和PLC聯(lián)合控制各臺(tái)電機(jī)投入、退出、工頻及變頻運(yùn)行方式。
PLC首先利用變頻器軟啟動(dòng)一臺(tái)加壓泵，此時(shí)安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測(cè)的管網(wǎng)壓力反饋回壓力調(diào)節(jié)器，與給定值進(jìn)行比較后調(diào)節(jié)器運(yùn)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(jī)轉(zhuǎn)速。
    當(dāng)用水量大時(shí)，變頻器輸出頻率接近工頻而管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到給定值下限，PLC將當(dāng)前運(yùn)行的變頻泵切換到工頻運(yùn)行，再將變頻器投入到第二臺(tái)泵，由變頻器軟啟動(dòng)該臺(tái)泵并進(jìn)行變頻調(diào)速控制。這時(shí)如果管網(wǎng)水壓能夠維持在給定值范圍內(nèi)，則電機(jī)一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行；如果管網(wǎng)水壓仍達(dá)不到下限值，則由PLC控制將第二臺(tái)泵切換到工頻，再由變頻器軟啟動(dòng)第三臺(tái)泵，并進(jìn)行變頻調(diào)速運(yùn)行，直到管網(wǎng)壓力達(dá)到給定值。這時(shí)一臺(tái)電機(jī)變頻，其他電機(jī)工頻運(yùn)行。

    當(dāng)用水量小時(shí)，管網(wǎng)壓力高于給定值上限，而變頻器輸出頻率已達(dá)最小值時(shí)，則由PLC將最先投入的電機(jī)退出運(yùn)行，由變頻器經(jīng)過一定時(shí)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(tái)投入的電機(jī)，依此進(jìn)行下去，直到管網(wǎng)壓力達(dá)到要求。

    在夜間無用水量時(shí)，PLC將三臺(tái)主泵依次退出運(yùn)行，而只投入輔助小泵，以維持管網(wǎng)水壓（因?yàn)樵诒昧坎淮髸r(shí)，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(shè)有液位控制，當(dāng)液位過低時(shí)，它會(huì)向PLC發(fā)出信號(hào)，使系統(tǒng)停機(jī)，以防水泵抽空，并發(fā)報(bào)警。

4  系統(tǒng)設(shè)備選擇與設(shè)計(jì)

    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(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)水壓。
    根據(jù)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有變頻器的情況，適于恒壓供水系統(tǒng)的性價(jià)比較高的機(jī)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(jìn)口變頻器價(jià)格在0.5～9萬元之間，如YASKAWA變頻器，臺(tái)達(dá)變頻器等；國(guó)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(jìn)口產(chǎn)品媲美，而價(jià)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(yùn)行維護(hù)更方便，選用時(shí)可考慮。

圖3  變頻器設(shè)計(jì)

    圖3為筆者設(shè)計(jì)的一高樓供水系統(tǒng)的變頻器，選用的是國(guó)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(cè)輸出信號(hào)端，送入PLC作為泵組工頻、變頻的切換控制信號(hào)。變頻器的極限輸出頻率上限可設(shè)為50Hz，下限頻率可設(shè)為20Hz。

    S1、S2、Sc－由PLC控制變頻器的運(yùn)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(hào)。

    (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(shè)計(jì)在PLC邏輯控制單元中，利用PLC的PID控制模塊實(shí)現(xiàn)。

    對(duì)于較復(fù)雜的供水系統(tǒng)，當(dāng)水壓變化頻繁且范圍較大時(shí)，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(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，很難調(diào)試出滿意的結(jié)果。因此，在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，應(yīng)針對(duì)實(shí)際的供水系統(tǒng)，對(duì)控制要求簡(jiǎn)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(duì)于復(fù)雜的供水系統(tǒng)則應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)控制器，可采用專用微機(jī)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。配合變頻器而設(shè)計(jì)的專用微機(jī)控制器類型很多，可根據(jù)要求設(shè)計(jì)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(jī)，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(shè)計(jì)中選用了YTZ-150型壓力傳感器，其為帶電接點(diǎn)式，水壓檢測(cè)范圍為0～1MPa，精度為 0.01MPa，將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)?～10V的電信號(hào)，反饋回變頻器。該傳感器可設(shè)定壓力上、下限值，當(dāng)管網(wǎng)壓力處于上下限以外時(shí)，傳感器分別輸出開關(guān)信號(hào)進(jìn)PLC的兩個(gè)輸入接點(diǎn)，與變頻器的極限輸出頻率檢測(cè)信號(hào)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(shè)計(jì)

    根據(jù)上述步驟設(shè)計(jì)的由PLC實(shí)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(yīng)用在各類供水系統(tǒng)中。筆者設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)是針對(duì)居民高樓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)工作泵維持正常工作時(shí)的水壓，且由變頻器控制轉(zhuǎn)速，可有效解決不同用水量時(shí)出現(xiàn)大馬拉小車問題和電機(jī)輕載或空載時(shí)節(jié)能問題；
(3) 整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，不需人員職守，故障時(shí)可以自動(dòng)保護(hù)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
由此可見，在目前電力供應(yīng)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。