1.恒壓供水系統(tǒng)簡介

隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。

1.1變頻恒壓控制原理

在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。

2．控制方案的選擇和確定

1.帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式

該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。

由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。

2．變頻器內(nèi)部做PID計算的控制方式

新型變頻器將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。

考慮以上兩種方案后，此次設計采用第二種方案。如圖2-1所示。

圖2-1恒壓供水系統(tǒng)方框圖

3、變頻恒壓供水系統(tǒng)構成及工作原理

3.1系統(tǒng)的構成

圖3-1系統(tǒng)原理圖

如圖3-1所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號)或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。

從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。

3.2工藝概述

恒壓供水控制系統(tǒng)的核心概念就是通過變頻器控制水泵的運行頻率，達到節(jié)能的效果，同時系統(tǒng)還加入了市政管網(wǎng)保護功能、水泵保護功能以及故障處理等功能。為了節(jié)約成本，目前人們大多采用一個變頻器控制多個水泵變頻運行的方式，也就是我們常說的一拖二、一拖三或一拖四等控制系統(tǒng)。采用這種方式，變頻器輪流控制各個水泵的運行。

水泵的運行方式有兩種，一種是變頻運行，一種是工頻運行。水泵的運行方式由PLC根據(jù)用戶用水量多少自動控制。系統(tǒng)啟動后，水泵首先變頻運行，當用水量增加時，當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。用水量減小，變頻器頻率達到頻率的下限值，并保持一段時間，則PLC會將工頻水泵退出運行。水泵的投切過程如此循環(huán)反復。

在用水量很少，或者沒有用水時，為了節(jié)能與延長水泵的使用壽命，變頻器可以進入休眠狀態(tài)。當用水量增加時，水泵會自動從休眠狀態(tài)中喚醒。當一臺水泵長時間運行時，為了使各個水泵均衡運行，系統(tǒng)會自動選擇運行時間最短的水泵運行。當有水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動跳過該水泵，不會影響其他水泵的投切過程。

圖3-2恒壓供水設備實物圖

3.3控制部分的構成

主要產(chǎn)品功能規(guī)格:

主控制器：FBs-24MAR2-AC

人機界面：UNICON7寸屏

變頻器：永宏N1系列的變頻器。

3.4系統(tǒng)結(jié)構圖

圖3-3系統(tǒng)結(jié)構圖

圖3-4系統(tǒng)控制電路接線圖

4.系統(tǒng)控制程序

4.1控制工藝流程圖

PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進行工頻—變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖4-1所示。

圖4-1控制流程圖

系統(tǒng)起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應操作。如果是自動運行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關的輸入信號執(zhí)行相應的操作。

手動模式主要是解決系統(tǒng)出錯或器件出問題，另外本系統(tǒng)為了防止PLC故障而導致的系統(tǒng)停機，手動的控制沒有進入PLC程序中，這樣更加有利于系統(tǒng)的溫度性。在自動運行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號就保持現(xiàn)有的運行狀態(tài)。

4.2手動控制模式

圖4-2手動控制接線圖

如圖4-2所示，如果通過外部的按鈕切換到手動，PLC就斷電了，通過SB1-SB3分別對應1-3號水泵開啟工頻運行，這樣就可以防止PLC故障而導致的系統(tǒng)癱瘓，更加增強了系統(tǒng)的應對突發(fā)事故的能力。

4.3自動控制模式

4.3.1變頻泵斷電切換

圖4-3判斷泵工作狀態(tài)

通過以上程序可以實現(xiàn)每次停機或者停電后再次運行時，可以切換到下一臺泵工作，通過PLC內(nèi)部的斷電保存的寄存器可以先把斷電前工作的變頻泵的狀態(tài)保存，下次開機直接跳轉(zhuǎn)到下一臺變頻泵工作了。

4.3.2定時換泵和加泵流程

圖4-4換泵和加泵程序

工作時間每分鐘計數(shù)1下，到達了設定的換泵時間后或者是該泵故障切換到下一臺變頻泵工作。當加泵信號超過加泵延時時間后，進行倒泵操作，該該變頻泵切換到工頻，啟動下一臺水泵進入變頻工作。

4.3.3減泵流程

圖4-5減泵工作部分程序

當變頻器的頻率達到下限值，并且延時一定時間后，要把工作最久的工頻水泵關閉，如上圖所示，此時把工頻泵1關閉，只剩下2號泵工頻運行和3號泵變頻運行，也就是跳轉(zhuǎn)到M211流程，如圖4-6。

圖4-6 二號泵工頻和三號泵變頻運行

4.4觸摸屏相關程序

圖4-7觸摸屏操作界面

觸摸屏的相關操作頁面包括水泵的工作狀態(tài)指示，變頻器的相關參數(shù)和壓力傳感器的讀數(shù)都是觸摸屏通過MODBUS協(xié)議直接同變頻器通訊讀取的。除了操作頁面還有壓力動態(tài)顯示頁面，操作說明頁面等。

5.系統(tǒng)的特點

可靠性是恒壓供水系統(tǒng)的關鍵。臺灣永宏電機，有20多年做PLC的歷史，其生產(chǎn)的PLC有提供5年的質(zhì)保，這一點是一般PLC所無法比擬的，也是由于其穩(wěn)定性和高性價比的特點廣受業(yè)界好評。

并且永宏PLC的編程軟件是基于中國人的編程習慣自主研發(fā)的，可以進行在線調(diào)試和離線調(diào)試，有強大的視圖功能，可以大大的降低編程調(diào)試的周期。另外靈活的編程方式，可以給未來系統(tǒng)的升級帶來極大的方便。

6.結(jié)束語

與普通的供水模式相比，恒壓供水系統(tǒng)可以節(jié)電50%以上。一般應用在生活用水的二次增壓，并且工作起來對市政管網(wǎng)的給水壓力不產(chǎn)生壓降，這就需要到變頻調(diào)速技術和智能控制技術等多種技術來實現(xiàn)。

FATEK的FBS系列的PLC具有穩(wěn)定的硬件平臺、強大的數(shù)據(jù)處理能力和便捷的編程語言，在恒壓供水設備中越來越多的應用了。

參考文獻：

[1]永宏可編程控制器使用手冊I臺灣永宏電機股份有限公司

[2]永宏可編程控制器使用手冊II.臺灣永宏電機股份有限公司

[3]永宏PLC編程軟件使用手冊.臺灣永宏電機股份有限公司

[4]劉雍，葛立福PLC在無負壓供水控制系統(tǒng)中的應用[J].PLC&FA，2012

[5]唐小猛無負壓供水設備技術分析[J].廣州大學學報，2006.

作者簡介：

劉如晶(1986--),畢業(yè)于福建工程學院電子信息與電氣工程系

主要從事永宏PLC技術支持與行業(yè)應用工作

聯(lián)系方式：18811047960

Email:liu.rujing@fatek.com.cn