【正文】 濟(jì)合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大， 占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。 液力渦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修 。優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明 了，維修方便。 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 幾種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng) 工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用 6 水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊 損耗 [1]。 基于 PLC 和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 7 第二章 恒壓供水基本原理 供水系統(tǒng) 簡介 自 80 年代初，全國各行業(yè)大力開展節(jié)能工作。自此，住房小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調(diào)速恒壓供水代替以前的重力供水、氣壓供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質(zhì)的二次污染。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。 在自動恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶實際用水量決定的。根據(jù)反饋原理 :要維持一個物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不變，就應(yīng)該引 入這個物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因為在恒壓供水系統(tǒng)中，我們要想保持的供水管網(wǎng)的壓力恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定的壓力值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。 恒壓供水基本原理 恒壓供水原理 對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。但是，流量的大小取決于揚程，揚程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系有關(guān)： 供水能力 QG用水需求 QU，則壓力上升； 供水能力 QG用水需求 QU，則壓力下降； 供水能力 QG=用水 需求 QU，則壓力不變。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾反映在流體壓力的變化上。因此，壓力可以用來作為控制流量大小的參變量。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。 8 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器 (PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的 總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入 經(jīng) 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用 PID或 PI 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號 (4－ 20mA)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 恒壓供水泵站一般需要設(shè)多臺水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺電機(jī)及水泵時，它們的功率必須 足夠大，在用水量少時來開一臺大電機(jī)肯定是浪費的，電機(jī)選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電機(jī)維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機(jī)供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機(jī)配一臺相應(yīng)的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機(jī)配一臺變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的 水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。 圖 為恒壓供水 的系統(tǒng) 構(gòu)成 框 圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低 ； 用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 9 交 流 接 觸 器 組P L C ( 內(nèi) 置P I D )管 道電 機(jī) 泵 組變 頻 器壓 力 傳 感 器 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 調(diào)節(jié)器 是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來管網(wǎng)水壓的實測值 和 根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號， 420mA 變化的電流信號或010V 間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。用 PLC 代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié) ； 它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機(jī)是輪換的工作。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵 (主泵也是輪流擔(dān)任的 )，主泵在運行時達(dá)到最高頻時，須 增加一臺工頻泵投入運行。 PLC 則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。 PLC 同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式 ， 這需采用 PLC 的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng) PID 處理后得出的模擬量信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由 PLC 承擔(dān)，如 ： 手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。 恒壓供水的 優(yōu)點 對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根到底是為了滿足用戶對流量的需求 。所以，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，但揚程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力 (供水流量 )和用水需求 (用水流量 )之間的平衡情況關(guān)系有關(guān)，即供水能力大于用水需求時壓 10 力上升，供水能力小于用水需求時壓力下降，當(dāng)兩者相等時壓力不變。供水能力和用水需求之間的矛盾具體反映在水壓的變化上。從而壓力就成為用來作為控制流量大小的參變量。當(dāng)供水系統(tǒng)中某處壓力恒定時，供水與用水處于平衡狀態(tài)，恰好滿足用戶所需的用水流量，恒壓供水 有以下優(yōu)點： 1) 節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電 20%40%，能實現(xiàn)綠色用電。 2) 占地面積小，投入少，效率高。 3) 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 4) 運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。 5) 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。 6) 通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力 。 11 第三章 恒壓供水系統(tǒng) 元件 選擇 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 變頻恒壓供水系統(tǒng) 硬件結(jié)構(gòu) 變頻恒壓供水 系統(tǒng)主要由壓力傳感器、差壓變送器、變頻器、 PLC 控制單元、水泵機(jī)組等組成，如圖 所示。 系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用 PLC 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(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 上 位計 算 機(jī)外 部控 制電 接 點壓 力 表管道機(jī)組變頻器電器組P L C水 池液 位開 關(guān)A / D D / A用戶變 頻 器 輸 出 標(biāo) 準(zhǔn) 信 號模 擬 量 信 號標(biāo)準(zhǔn)電信號開關(guān)量信號變 頻 器 故 障 及 頻 率 到 達(dá) 信 號內(nèi) 置P I D 圖 系統(tǒng)硬件原理圖 系統(tǒng)可分為 :執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為 : 1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) :執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由三臺水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。 2) 信號檢測機(jī) 構(gòu) :在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號。水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系 12 統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 。液位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器 。報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有 異常，該信號為開關(guān)量信號。 3) 控制機(jī)構(gòu) :供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC 系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制 。變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種， 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在 系統(tǒng)運行前可以選 擇 [2]。本設(shè)計中采用變頻循環(huán)式， 下面重點介紹 其 控制特點 ： 利用 變頻循環(huán)式 單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進(jìn)的一種方案。下面以單臺變頻器控制兩臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理如圖 。 13 13241 號 泵 變 頻 運 行2 號 泵 停 止1 號 泵 工 頻 運 行2 號 泵 變 頻 運 行1 號 泵 停 止2 號 泵 變 頻 運 行1 號 泵 變 頻 運 行2 號 泵 工 頻 運 行 圖 控制原理框圖 控制系統(tǒng)的工作原理如下 :根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺水泵按 1— 2— 3— 4— 1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統(tǒng)用水量不多，只有 1號泵在變頻器控制下運行 ， 2號泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則 1號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 一 臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)， 1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 2號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 2。 當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 一 臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)，可將 1號泵電機(jī)停運， 2號泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 3。 當(dāng)用水量再次 增加，變頻器輸出頻率增加，則 2號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 一 臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求