[摘 要]PLC可編程控制的變頻恒壓調速供水系統(tǒng)方案給水，主要由PLC可編程進行邏輯控制，由變頻器進行壓力調節(jié)；變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件，經變頻器內部PID運算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實現閉環(huán)自動調節(jié)恒壓變量供水。本文采取變頻調速方式實現恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機理，通過對變頻器內置PID模塊參數的預置，利用遠程壓力表的水壓反饋量，構成閉環(huán)系統(tǒng)，根據用水量的變化，采取PID調節(jié)方式，在全流量范圍內利用變頻泵的連續(xù)調節(jié)和工頻泵的分級調節(jié)相結合，實現恒壓供水。運行結果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結構簡單，工作可靠的特點。

[關鍵詞]變頻調速；恒壓供水；多泵并聯；PLC可編程控制

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0245-02

1 引言

給水系統(tǒng)是建筑發(fā)展的重要基礎設施，是國家建設、社會文明進步、人民生活不可缺少的，無法替代的物質基礎。隨著社會的發(fā)展進步，城市高層建筑的供水問題日益突出。一方面，在工業(yè)用水、鍋爐定壓供熱和恒壓補水噴淋、消防供水系統(tǒng)中，通常采用傳統(tǒng)的水塔或高位水箱供水方式、氣壓罐供水方式和泵組分時供水方式；其主要缺點：占地面積大，基建投資較多， 維護困難，隨著社會的發(fā)展，這種給水設計系統(tǒng)已不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防用水的高水壓、大流量快速供水需求。另一方面，由于供水量的隨機性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實時性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時間較短，這樣水泵在很長一段時間內有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費。其已經遠遠不能滿足生活、生產的需要，隨著電力電子及計算機技術的發(fā)展，變頻調速恒壓變量供水系統(tǒng)由于具備造價低、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動控制、無二次污染的優(yōu)點；而PLC可編程控制其性能穩(wěn)定、成本低廉、功能強大、編程方便，且變頻調速控制設計基于PLC的多泵并聯推移軟啟動變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)采用3臺水泵并聯運行方式，壓力傳感器將主水管網水壓變換為電信號，經模擬量輸入模塊，輸入PLC，PLC根據給定的壓力設定值與實際檢測值進行運算[1]，輸出控制信號經模擬量輸出模塊至變頻器，調節(jié)水泵電機的供電電壓和頻率。當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網的壓力穩(wěn)定時，PLC給定的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到，PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續(xù)性，同時將下一臺備用泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺泵運轉仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻狀態(tài)運行，再將一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現為變頻器已工作在最低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現，PLC首先將最先工頻運行的泵停止，以減少供水量。當上述2個信號仍存在時，PLC再停掉第2臺工頻運行的電機，直到最后一臺泵用變頻器恒壓供水。所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。同時，系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定死，這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。

3 系統(tǒng)設計方案

圖1為系統(tǒng)設計方案圖，變頻恒壓供水控制系統(tǒng)[2]主要由PLC控制器、PID調節(jié)器、變頻器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器設備及3臺15KW水泵機組系統(tǒng)構成，在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器、液位變送器以及變頻器[3]輸出的4-20mA信號，作為控制系統(tǒng)自動運行的條件，PID調節(jié)器環(huán)節(jié)接收檢測的壓力信號并將檢測的壓力信號與設定的壓力信號經過PID運算后，通過控制變頻器的頻率來調整電動機的轉速，保持供水壓力的恒定，構成以設定壓力為基準的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；系統(tǒng)主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時對運行數據進行傳輸。該系統(tǒng)缺水、斷相保護功能，在軟件和硬件上實現互鎖功能，保證正常供水，且可以無人值守。

4 給水系統(tǒng)恒壓控制設計

流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象，而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制；因考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力（流量QG表示）和用水需求（用水流量Qu表示）之間的平衡情況相關。

若：供水能力Qc>用水需求Qu，則壓力P上升；

若：供水能力Qc<用水需求Qu，則壓力P下降；

若：供水能力Qc=用水需求Qu，則壓力P不變。

流體壓力P的變化反映了供水能力與用水需求Qu之間的矛盾。選擇壓力控制來調節(jié)管道流量的大小說明通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，這樣能滿足系統(tǒng)所需的用水流量；系統(tǒng)需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調節(jié)，以適應流量的變化。這種調節(jié)就是以壓力恒定來實現的控制方法[4]。

4.1閥門控制法

轉速保持不變，通過調節(jié)閥門的開度大小來調節(jié)流量。實質是水泵本身的供水能力不變，通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應系統(tǒng)對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。

4.2轉速控制法

閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量。實質是通過改變水泵的供水能力來適應系統(tǒng)對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。

5 主電路控制系統(tǒng)設計

圖2為給水系統(tǒng)主電路控制圖，三臺驅動供水泵組電動機機分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制電機M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制電機M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機的過載保護的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器；通用變頻器為MM420。

6 系統(tǒng)后續(xù)研究

6.1 提高PLC可編程控制故障報警設想

在給水系統(tǒng)自動控制設計中具備3級故障顯示報警系統(tǒng)，1級設置在控制現場各控制柜面板，用指示燈指示設備正常運行和故障情況，當設備正常運行時對應指示燈亮，當該設備運行有故障時指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設備工作情況，專門設置了故障復位/燈測試按鈕，系統(tǒng)運行任何時間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應全部點亮，如果這時有指示燈不亮，說明該指示燈已壞，應立即更換，改按鈕復位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設備工作狀態(tài)。2級故障顯示設置在中心控制室屏幕監(jiān)視器上，當設備出現故障時，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應的設備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級故障顯示設置在中心控制室信號箱內，當設備出現故障時，信號箱將用聲、光報警方式提示工作人員，及時處理故障。在處理故障時，又將故障進行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運行的，但有些故障對系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運行，故障可在運行中排除，這樣就大大減少整個系統(tǒng)停止運行時間，提高系統(tǒng)可靠性運行水平。

6.2 變頻調速對給水系統(tǒng)安全性作用

（1）消除了水錘效應，減少了對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。

（2）降低水泵平均轉速，減小工作過程中的平均轉矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長。

（3）避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯軸器壽命。

（4）減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網的沖擊，提高自身系統(tǒng)的可靠性。

6.3 PLC可編程控制多泵并聯首起動

水泵的并聯首起動：初始化程序后，根據水泵控制主令開關，確定水泵首起：若P1泵允許，則確定1號泵為首起；若1號泵不允許，而2號泵允許，則確定2號泵為首起泵；若1、2號泵均不允許，而3好泵允許運行，則確定3號泵為首起泵。

7 結束語

給水系統(tǒng)采用變頻調速來實現恒壓供水其優(yōu)點是：啟動平穩(wěn)，啟動電流可限制在額定電流以內，從而避免了啟動時對電網的沖擊；由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門的使用壽命；可以消除啟動和停機時的水錘效應；大大降低了污染。在供水系統(tǒng)中采用變頻調速運行方式，系統(tǒng)可根據實際設定水壓自動調節(jié)水泵電機的轉速或加減泵，使供水系統(tǒng)管網中的壓力保持在給定值，以求最大限度的節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)資，并使系統(tǒng)處于可靠運行的狀態(tài)，實現恒壓供水；減泵時采用“先啟先?！钡那袚Q方式，相對于“先啟后?！狈绞?，更能確保各泵使用平均以延長設備的使用壽命。

參考文獻

[1] 周萬珍，高鴻斌. PLC分析與設計應用.電子工業(yè)出版社.1997：120-141

[2] 張全莊.PLC在恒壓供水變頻調速控制系統(tǒng)中的應用.2004：10.235-243

[3] 戴廣平.電動機變頻器與電力拖動[M].中國石化出版社.1999：89-106

[4] 邵裕森.過程控制工程.機械工業(yè)出版社.2002：129-131

作者簡介

陳家文（1964—），男，云南昆明，本科，講師。從事研究工作：PLC控制系統(tǒng)的設計。