張煒， 張民， 董雷

　?。ㄇ鄭u理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520）

　　摘要：為了確保在生活生產和消防狀態(tài)下，供水系統(tǒng)能夠可靠高效地穩(wěn)定運行，設計一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結合變頻調速技術、PID調節(jié)和壓力傳感等技術的自動恒壓變頻供水系統(tǒng)。該供水系統(tǒng)可以根據用水負荷自動快速調節(jié)水泵電機轉速和增減水泵電機投入運行的臺數來實現恒壓供水。該系統(tǒng)能夠保證當處于生活供水狀態(tài)時保持低恒壓值運行，而當處于消防供水狀態(tài)時保持高恒壓值運行。該系統(tǒng)選用西門子S7-200、風機水泵專用型變頻器MicroMaster430、壓力傳感器等，采用MCGS組態(tài)軟件對該系統(tǒng)進行測試。經試驗表明，該供水系統(tǒng)能夠有效地避免人為操作復雜性和不可靠性，達到提升供水品質和節(jié)能高效的目的。

　　關鍵詞：恒壓變頻供水；可編程邏輯控制器PLC；變頻調速；水泵；PID控制

0引言

　　隨著我國社會經濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提升, 對供水系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。目前市政管網依然承擔著為生活生產和消防滅火供水的重要任務。而且我國是一個嚴重干旱缺水的國家，水資源分布不均，人均淡水量僅為國際平均水平的四分之一。而且我國水資源污染問題不斷加劇，地下水超采現象和用水效率低下的問題頻繁發(fā)生，這些都使我國水資源的供需矛盾更加突出。

　　恒速供水方式不僅會導致水壓不穩(wěn)以及水錘現象的發(fā)生，對供水設備造成巨大損壞，產生強烈噪音，而且會耗費大量的電力資源。傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)存在著水泵在工頻狀態(tài)下頻繁啟停、對設備造成嚴重損壞、沖擊電網、自動化程度低、資源利用率低等諸多問題。

　　恒壓變頻供水系統(tǒng)正好可以很好地解決以上問題，伴隨著電力電子技術的飛速發(fā)展和PLC的廣泛應用，該供水系統(tǒng)也得到了不斷發(fā)展和逐步完善。本文設計的系統(tǒng)將以PLC為控制核心，以供水管網的壓力傳感器變送信號為反饋信號，結合變頻調速技術、PID控制與通信等技術實現恒壓變頻供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以根據用水負荷的變化自動快速調節(jié)水泵電機轉速以及增減投入運行的水泵臺數來實現恒壓供水。而且在平時生產生活時保持低恒壓狀態(tài)，滿足生產生活用水高低峰的恒壓供水。當發(fā)生火災時，則處于消防狀態(tài)，管網壓力調整為高壓狀態(tài)，滿足消防滅火需求。

1恒壓變頻供水系統(tǒng)構成

　　1.1系統(tǒng)構成

　　本文設計的供水系統(tǒng)總體構成如圖1所示。其主要由以下元器件構成：

　?。?）1臺西門子PLC S7200，其CPU型號為224。由于PLC只能處理數字量，而水壓、電流、電壓等均為模擬量，故還應配備匹配此PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235與數字量輸出模塊EM222。PLC工作穩(wěn)定可靠，抗圖1系統(tǒng)總體構成圖

　　干擾能力強，編程簡單便捷，適用于諸多行業(yè)［1］。

　?。?）3臺水泵，為防止1臺水泵長期獨自運行，具備定期“倒泵功能”，每當1臺持續(xù)運行3小時后便進行切換水泵的操作，防止水泵長期運行而減少其壽命。

　?。?）1臺西門子變頻器MicroMaster430，其為風機水泵專用型變頻器［2］。因為變頻器價格昂貴而且雖然共有3臺水泵但是運行時只有1臺水泵進行變頻調速，其余均為工頻運行，故只選用1臺就能滿足要求。

　　（4）1臺壓力傳感器，用來監(jiān)測管網壓力，并將其作為反饋信號閉環(huán)調節(jié)水泵電機轉速和投入運行的水泵臺數。

　?。?）熱繼電器、熔斷器與電磁閥等相關輔助元器件若干，其中熱繼電器（FR）利用電流熱效應用作水泵電機的過載保護，而熔斷器用于水泵電機的短路保護。

　　1.2控制方式

　?。?）當旋鈕開關SA打到“手動”時 ，進入手動運行方式 。在此方式下，可以對任何一臺水泵直接工頻啟動和關停。人工手動操作繁瑣復雜，容易出錯。此方式主要用在設備初期調試和設備檢修巡檢時。

　?。?）當旋鈕開關SA打到“自動”時，進入自動運行方式。在此方式下，該供水系統(tǒng)可以自動根據用水量的變化調節(jié)水泵轉速和水泵的運行臺數，使其達到最優(yōu)配置［3］。而且在此方式下，還能監(jiān)測設備的運行狀態(tài)，發(fā)生故障時及時報警通知工作人員維修，增強了系統(tǒng)的可靠性。

2供水系統(tǒng)工作原理

　　2.1水池水位

　　液位指示器用于監(jiān)測水池水位情況，當液位低于最高水位H時，電磁閥YV1開啟，市政管網便向水池注水。當液位低于最低水位L時則停止水泵電機的運行，防止水泵空轉燒毀，發(fā)生事故。當液位高于最高液位H時，將電磁閥YV1關閉。

　　2.2變頻調速原理

　　變頻器利用“ACDCAC”的方式采用電力電子元器件實現通斷，將電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調的交流電。其先將工頻交流電經過整流濾波轉換成直流電，然后再將直流電通過逆變器轉換

　　為電壓頻率均可調的交流電。

　　三相異步電動機的轉速公式為n=60f(1-s)/p，式中,n為電動機轉速, s為轉差率, f為電源頻率, p為極對數。由該公式可知，當極對數不變時，電機轉速n與電源頻率f成正比，故調節(jié)電源頻率f便可平滑地調節(jié)電機的轉速。

　　而轉矩T=kn2與轉速n的平方成正比，軸功率P與轉速n3成正比，當轉速變?yōu)?/2時,轉矩則為1/4,而功率P減為1/8［3］。根據相關部門的統(tǒng)計，供水系統(tǒng)70%以上的電能用在了水泵上［4］，可見采用變頻器調速可以極大地減少供水系統(tǒng)的電能消耗。而且如果水泵直接啟動，啟動電流能達到額定電流的5~8倍，對電網造成劇烈沖擊，而變頻啟動可以很好地解決這個問題。

　　2.3PID調節(jié)

　　壓力傳感器將水壓變送成電流或者電壓信號，再經模擬量輸入輸出模塊EM235將模擬量轉換為數字信號與給定值進行比較，得到偏差信號Δx經P（比例）、I（積分）和D（微分）環(huán)節(jié)得到頻率信號，控制變頻器變頻調節(jié)水泵轉速。

　　比例調節(jié)P是按Δx的值進行比例放大，偏差越大，調節(jié)速度越快，但由于慣性原因容易發(fā)生超調現象，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，故比例調節(jié)不能單獨使用。積分調節(jié)I可以減緩調速過快的問題，減少超調現象的發(fā)生。微分調節(jié)D根據Δx的變化率（dx/dt)進行調節(jié)［5］。比例、積分與微分共同構成PID調節(jié)，確保管網水壓恒定。系統(tǒng)閉環(huán)控制如圖2所示。

　　2.4增泵功能

　　下面以1#泵正在變頻運行，其余2臺水泵停止運行為例說明增泵功能。當用水量增多，管網壓力減小，促使變頻器加大頻率，1#水泵轉速升高，管網壓力增大。如果當變頻器增大到50 Hz時，管網壓力依舊達不到要求，為防止頻繁啟停水泵對管網和水泵造成損壞，延時5 s再監(jiān)測管網壓力，若仍達不到給定壓力則工頻啟動1#水泵，2#水泵變頻從0 Hz啟動。如果當2#水泵頻率到達50 Hz后，管網壓力仍未達到給定值，則延時5 s監(jiān)測管網壓力，若管網壓力仍不符合要求則將2#水泵工頻啟動，將變頻器切換到3#水泵，從0 Hz開始變頻調速。當3臺水泵都處于滿負荷運行，管網壓力仍低于給定值，說明有可能供水管網出現泄漏問題，應及時修復。由1#水泵變頻運行轉變?yōu)?#水泵工頻運行、2#水泵變頻運行流程圖如圖3所示。

　　2.5減泵功能

　　下面以3#水泵變頻運行，1、2#水泵工頻運行為例說明減泵功能。當用水量減少時，變頻器減小頻率，3#水泵轉速減小，管網壓力下降。

　　當變頻器頻率減小到0 Hz時，管網壓力仍大于給定值，延時5 s再次監(jiān)測管網壓力。若管網壓力依然大于給定值，則將3#水泵關停，將2#水泵切換至變頻調速模式。若用水量進一步減少，而變頻器頻率已經降至0 Hz時管網壓力還大于給定值，則延時5 s。之后再次監(jiān)測管網壓力，若依然大于給定值則將2#水泵關停，1#水泵切換至變頻調速狀態(tài)。3#關停流程圖如圖4所示。

　　2.6生活/消防分隔

　　該供水系統(tǒng)是生活與消防共用供水系統(tǒng)，在生活生產中，管網壓力處于低恒壓狀態(tài)，當火災發(fā)生時處于高恒壓狀態(tài)，確保消防有足夠的流量和揚程。其占地面積小，效率高，可以減少對設備的損耗，極大地減少投資成本，但是對供電電源的要求更高。該供水系統(tǒng)應采用雙電源供電，當一電源發(fā)生故障時，另一電源便投入使用，并在末端切換。

　　為了確保在消防狀態(tài)下該供水系統(tǒng)能夠確實發(fā)揮滅火作用，以及防止水流倒流，污染水源，應在消防管網和生活管網之間增加一個電磁閥，將兩者隔離開，形成兩個獨立的供水系統(tǒng)［6］。

3上位監(jiān)控系統(tǒng)

　　本文設計的供水系統(tǒng)中，上位監(jiān)控系統(tǒng)釆用昆侖通泰觸摸屏，主要任務是實時顯示現場設備的運行情況，并對故障及時報警，通過PLC控制以實現恒壓變頻供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。而PLC的主要任務是收集現場信號，實現對變頻器、電磁閥與繼電器等設備的控制，以及通信數據的交換。

　　通用監(jiān)控系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）是一套基于Windows平臺由北京昆侖通態(tài)自動化科技有限公司開發(fā)，可用于快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。其功能完善，操作便捷，可視性與可維護性良好，在國內應用十分廣泛。

　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程主要由以下五方面組成，分別是主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略，如圖5所示。

　　用戶窗口共有4項，即恒壓變頻供水系統(tǒng)，恒壓變頻供水系統(tǒng)實時曲線，恒壓變頻供水系統(tǒng)歷史曲線以及退出提示，用戶界面窗口如圖6示。

　　監(jiān)控系統(tǒng)使用上位機的串行接口與PLC的編程口相連接，從而達到控制PLC的目的。本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)是通過RS232線讀取PLC數據，實現了與西門子S7200的連接，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。

4結論

　　本文設計的恒壓變頻供水系統(tǒng)以PLC為控制核心，結合變頻調速技術、PID調節(jié)、壓力傳感等技術，依據用水負載變化實現生活/消防共用恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動化程度高，運行安全穩(wěn)定，節(jié)能高效，控制簡單便捷，動態(tài)響應迅速，壓力波動變化小，占地面積小，而且可以有效減少水錘現象，延長設備的使用壽命，減少直接啟動大電流對電網的污染，對提高和改善供水品質有重要的實用價值和現實意義。圖7恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)界面

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