恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白曉君

摘 要 本文分析了供水系統(tǒng)的3種傳統(tǒng)控制方案，提出了變頻調(diào)速恒壓供水控制方案，分析了供水系統(tǒng)的元件構(gòu)成，研究了變頻調(diào)速的控制原理，選擇了變頻器和遠(yuǎn)傳壓力表等關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)了恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖，實(shí)現(xiàn)了變頻、低功耗、安全供水。

關(guān)鍵詞 恒壓供水；變頻器；調(diào)速

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）172-0209-02

供水控制是節(jié)能降耗、體質(zhì)增效的關(guān)鍵系統(tǒng)，能夠?qū)I(yè)用水、生活用水實(shí)施科學(xué)調(diào)控，提高水資源的利用效率[1，2]。隨著人口數(shù)量的增加、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，水資源日益成為緊缺資源，大力提倡節(jié)約用水成為全社會(huì)共識(shí)。一方面，需要大力普及節(jié)約用水觀念，降低人為浪費(fèi)水資源；另一方面，要不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)水資源的精量使用。因此，采用變頻控制技術(shù)[3]，對(duì)傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，對(duì)降低用水成本、提高用水效率具有重要技術(shù)價(jià)值和社會(huì)效益。

1 方案設(shè)計(jì)

供水系統(tǒng)的控制方案主要有3種，即恒速泵供水、高位儲(chǔ)水供水和氣壓罐供水[4-6]，其中，恒速泵供水是利用速度不變的水泵實(shí)時(shí)提供輸水動(dòng)力，當(dāng)達(dá)到用水需求時(shí)，需要關(guān)閉水泵，當(dāng)再次用水時(shí)，需要再次開啟水泵，頻繁開啟、關(guān)閉水泵，耗電量較大，影響局部電壓穩(wěn)定，故此種供水系統(tǒng)應(yīng)用較少。高位儲(chǔ)水則是擴(kuò)大或延長水泵的工作時(shí)間，利用恒速水泵不斷向儲(chǔ)水池供水，利用儲(chǔ)水池實(shí)現(xiàn)用水備存，同時(shí)，減小水泵的開啟、關(guān)閉頻率，然而，高位儲(chǔ)水泵需要建設(shè)較大的高位儲(chǔ)水裝置，占用空間大，造價(jià)成本高，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。氣壓罐供水與高位儲(chǔ)水供水的控制原理相同，區(qū)別在于，水泵的動(dòng)力通過氣壓泵儲(chǔ)存在氣罐中。

本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)擬采用變頻控制原理，同時(shí)利用水壓傳感器測試供水管路的壓力信號(hào)，利用PID進(jìn)行水壓與電動(dòng)機(jī)頻率之間的信號(hào)變化，利用可編程控制器實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的作業(yè)頻率。通過改變電動(dòng)機(jī)作業(yè)頻率，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速隨水壓變化而調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)約電能、電動(dòng)機(jī)連續(xù)作業(yè)、動(dòng)力與供水動(dòng)態(tài)調(diào)整的目的。

2 恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于變頻器進(jìn)行恒壓供水的控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，供水的動(dòng)力元件主要包括水泵1、水泵2和水泵3，其中，水泵3起到輔助供水作用；水泵的作業(yè)調(diào)節(jié)元件為變頻器，供水系統(tǒng)的信號(hào)采集及調(diào)控元件為PID控制器，供水系統(tǒng)的邏輯換算元件為可編程控制器，此外，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，用上位機(jī)作為監(jiān)控器，用遠(yuǎn)傳壓力表作為供水系統(tǒng)末端的壓力采集元件。

2.2 系統(tǒng)工作原理

壓力傳感器分布在供水系統(tǒng)末端的管網(wǎng)中，當(dāng)供水系統(tǒng)水源不足時(shí)，管網(wǎng)中的壓力隨之減小，壓力傳感器檢測到的電壓信號(hào)減弱，并將電壓信號(hào)傳遞到PID控制中，控制器將接收到的電信號(hào)傳遞到可編程控制器，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后得到反饋信號(hào)，將反饋的電信號(hào)傳遞給水泵的變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，改善供水系統(tǒng)的動(dòng)力狀態(tài)，使供水系統(tǒng)處于供水工況，隨著供水啟動(dòng)，供水系統(tǒng)壓力逐漸升高，升高的壓力信號(hào)實(shí)時(shí)被壓力傳感器采集，整套供水系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)中。

3 恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 變頻調(diào)速選型

變頻器是一種電壓頻率變換器，即將固定頻率的交流電變換成頻率、電壓連續(xù)可調(diào)的交流電，以供給電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電源裝置。它在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中起著非常重要作用，是水泵電機(jī)調(diào)速的執(zhí)行者。

變頻調(diào)速原理如公式1所示，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率和磁極對(duì)數(shù)固定時(shí)，通過改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

n=60f（1-s）/p （公式1）

其中，n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速；f表示電源頻率；s表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率；p表示電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

變頻器的選用，需要綜合考慮輸入側(cè)額定值、輸出側(cè)額定值、額定輸出容量等。變頻器容量的選擇，一般根據(jù)負(fù)載性質(zhì)及大小。變頻器的控制方式主要有恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、二次方律負(fù)載3種。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，綜合考慮異步電動(dòng)機(jī)的額定電流及變頻器容量，選擇西門子MicroMaster430型變頻器，co-trustS7-200系列中的CPU224，其輸入頻率為47Hz～63Hz，輸出頻率未0Hz～650Hz，功率因數(shù)為0.98，變頻器效率為96%～98%，防護(hù)等級(jí)為IP20。

3.2 可編程控制器選型

可編程控制器（PLC）是恒壓供水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的核心部件，PLC容量是指I/O點(diǎn)數(shù)的數(shù)量，點(diǎn)數(shù)太多容易提高部件成本，點(diǎn)數(shù)太少導(dǎo)致余量不足，通常綜合考慮被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，余量按照10%～15%的空間預(yù)留。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，1路壓力模擬量輸入，1路電壓模擬量輸出，故選用TD200系列西門子變頻器。

3.3 壓力傳感器

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，供水系統(tǒng)的壓力信號(hào)采集需通過壓力傳感器，故選擇了YTZ-150型電位器式遠(yuǎn)傳壓力表，該電阻遠(yuǎn)傳壓力表適用于測量對(duì)銅合金不起腐蝕作用的液體、蒸汽和氣體等介質(zhì)的壓力。電阻遠(yuǎn)傳壓力表，可把被測值以電量值傳至遠(yuǎn)離測量點(diǎn)的二次儀表上，以實(shí)現(xiàn)集中檢測和遠(yuǎn)距離控制。此外，本儀表能就地指示壓力，以便于現(xiàn)場工藝檢查。起止電阻值為3Ω～20Ω，滿度電阻值為340Ω～400Ω，工作電壓≤6V。

3.4 電路圖設(shè)計(jì)

根據(jù)恒壓供水的使用要求和變頻器、可編程控制器的工作原理，設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的電路圖，如圖2所示。圖中，M1，M2，M3為3臺(tái)水泵電機(jī)，KM為相應(yīng)電機(jī)的接觸器，F(xiàn)R為相應(yīng)電機(jī)的熱繼電保護(hù)器，QF為空氣開關(guān)。從圖2中可以清晰看到，3臺(tái)電機(jī)的控制原理相同，均由接觸器和熱繼電保護(hù)器控制，實(shí)現(xiàn)小電流控制大電流，提高電機(jī)的使用安全性。變頻器改變?nèi)_(tái)電機(jī)的供電頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的無極調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)水壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，達(dá)到恒壓供水目的。在此電路圖中，當(dāng)供電系統(tǒng)無需調(diào)速控制時(shí)，可直接對(duì)3臺(tái)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論

本文對(duì)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵部件選型和控制系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)，恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心部件是變頻器和遠(yuǎn)傳壓力表，恒壓供水系統(tǒng)中變頻器選用西門子MicroMaster430型，遠(yuǎn)傳壓力表為YTZ-150型，電路原理圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了1個(gè)變頻器控制3臺(tái)水泵，通過遠(yuǎn)傳壓力表和變頻器實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，安全性能較好，比較適應(yīng)當(dāng)前供水系統(tǒng)的電氣化改造現(xiàn)狀。

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