【導(dǎo)讀】本文主要闡述變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理。生活供水、消防模式下的恒壓供水和帶上位機系統(tǒng)的PID控制。壓力傳感器、PLC、變頻器、組態(tài)軟件等構(gòu)成?；谧冾l器和PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)運行的全過程。對供水控制進行全程監(jiān)控，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定和狀態(tài)分析。監(jiān)控界面使得變頻。恒壓供水系統(tǒng)的控制變得更加方便。它是運用變頻調(diào)速技術(shù)的自動化系統(tǒng)。它取代了傳統(tǒng)的屋頂水箱，使建筑受力減少，結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，節(jié)約電能，變頻恒壓供水系統(tǒng)在生活中應(yīng)用很廣泛，在住宅小區(qū)、寫字樓、賓館、飯店、商店、大型超市都可以看見它的身影。

　　

【正文】 如果 1 號泵頻率上升至最大 50Hz，系統(tǒng)還是不能提供足夠的水。在這個時候，系統(tǒng)將 1 號泵轉(zhuǎn)為工頻運行，同時 2 號泵變頻運行，直至水壓滿足要求。 在人們用水少，系統(tǒng)提供過多的水時， 變頻器會帶動 2 號泵使之轉(zhuǎn)速下降，如果 2 號泵的頻率下降 至最低 0Hz，系統(tǒng)提供的水還是太多 ， 此時， 變頻恒壓供水 設(shè)備會把 2 號泵停掉，讓1號泵從工頻再轉(zhuǎn)為變頻運行， 讓系統(tǒng)回到只有 1 臺泵控制的狀態(tài)， 使水壓始終保持恒定。 雙泵切換 是變頻供水系統(tǒng) 中運行時間最長的一種控制，人們的日常用水都依賴于這個功能的實現(xiàn)。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 14 壓力（ ）恒壓段休眠結(jié)束休眠區(qū)間休眠開始恒壓段休眠喚醒休眠偏差容限0 1 2 3 4 5 6停止運行變頻泵0 1 2 3 4 5 66543210停止運行休眠泵 休眠狀態(tài)控制 圖 29 自動休眠進入和喚醒示意圖 休眠狀態(tài)控制是依靠時間邏輯來控制休眠水泵與常規(guī)水泵（變頻泵）之間的狀態(tài)切換。系統(tǒng) 啟動后，常規(guī)水泵用于控制供水系統(tǒng)的正常壓力，滿足白天的正常供水。休眠水泵用于滿足夜 間小流量供水， 在具有了 休眠狀態(tài)控制 后，該設(shè)備便成為了 一套充分節(jié)能的供水系統(tǒng)。 休眠的開始與結(jié)束受設(shè)置時間的控制， 休眠泵在設(shè)定的休眠期間范圍內(nèi)工作，休眠期間只監(jiān)測管網(wǎng)壓力，根據(jù)壓力變化只做邏輯狀態(tài)切換，不做定值控制。 工作過程如下：當(dāng)系統(tǒng)時間進入休眠時間范圍后，休眠泵啟動，常規(guī)泵停止。管網(wǎng)壓力在休眠壓力的偏差范圍內(nèi)時，只有休眠泵運行。當(dāng)管網(wǎng)壓力低于休眠壓力下限時（特殊情況下的用水量增加），系統(tǒng)進入休眠喚醒狀態(tài)， 在這時， 常規(guī)水泵 也會 投入工作， 直至控制壓力穩(wěn)定在需求壓力值附近。 而當(dāng)管網(wǎng)壓力高于休眠設(shè)定數(shù)值上限時（ 用 水量開始下降），休眠喚醒恢復(fù)， 常規(guī)泵停止工作， 再次進入休眠狀態(tài) ， 只有休眠泵工作。 當(dāng)休眠時間結(jié)束后，系統(tǒng)進入正常的白天供水模式，即常規(guī)泵啟動，休眠泵停止。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 15 分時控制 一天的流量波動和多段壓力控制如下圖所示 ： 圖 210 一天的流量波動和多段壓力控制 生活用水在一天內(nèi)往往存在著若干個用水高峰和用水低谷區(qū)間，如 0： 00～ 5： 00，為夜間休息期間，一般用水量最少 。如果此時供水量很大， 可想而知，大量能源會被浪費掉的。 5： 00～ 8： 00， 11： 00～ 14： 00， 17： 00～ 21： 00 為起床、午飯和晚飯時間，用水量較大，其余時間用水量一般。 所以為了適應(yīng)生活供水中的壓力 /流量波動特性，如通常白天的 3 個用水高峰期流量波動，以及其他一些特殊應(yīng)用，系統(tǒng)提供了最多 4 段的定時壓力給定控制以滿足使用，可以起到節(jié)水和節(jié)能的作用。 分時控制 ，簡而言之，便是在管網(wǎng)中流量小時，壓力 低，因此供水也可以相應(yīng)減少。在流量大時，壓力 也高，系統(tǒng)提供的水也隨之增加。 在加入了 分時控制功能 后，系統(tǒng)的節(jié)能效果變得相當(dāng)顯著。 水是非常寶貴的資源，當(dāng)今社會一直在倡導(dǎo)節(jié)約用水。如果供水設(shè)備的高效運行要耗去大量的能 源，這樣的供水系統(tǒng)是不可取的。開發(fā)在不同時段具有節(jié)水作用的供水設(shè)備是很有意義的研究。考慮到這一點，很多生產(chǎn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的企業(yè)都已經(jīng)將分時控制功能加入到 了 設(shè)備中 ，這些系統(tǒng)為節(jié)約能源做出了很大的貢獻。具有 分時控制功能 的供水系統(tǒng)是值得大力推廣的。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 16 消防狀態(tài)控制 消防狀態(tài)控制是依靠外部中斷信號來控制消防泵與常規(guī)泵和休眠之間的狀態(tài)切換的 。系統(tǒng)的消防狀態(tài)在系統(tǒng)的各種狀態(tài)中具有最高的優(yōu)先級，當(dāng)消防信號發(fā)生時，系統(tǒng)其他狀態(tài)均停止，即無論系統(tǒng)是處于正常的白天供水狀態(tài)，還是夜間供水狀態(tài)，系統(tǒng)強制將其切換到消防狀 態(tài)，只用于控制消防水泵工作。消防泵工頻工作，提供最大的消防水壓力。消防泵啟動后，消防信號消失也不會停止消防泵的工作，消防狀態(tài)只有讓控制系統(tǒng)重新運行才可以復(fù)位。 最近幾年，火災(zāi)的發(fā)生相當(dāng)頻繁。當(dāng)出現(xiàn)災(zāi)情時，滅火成了一件非常緊迫的事。如果在這時，沒有大量的水給予保障，火災(zāi)多持續(xù)一刻，它給人們造成的損失是可想而知的。這就要求 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的消防控制功能具有非常好的可靠性，在發(fā)生火災(zāi)時提供足夠的水量，及時將火撲滅，保護居民的人身安全和財產(chǎn)安全。 本章小結(jié) PLC、變頻器是變頻恒壓供水系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵設(shè)備，其 它的組成有壓力傳感器、電控設(shè)備、組態(tài)軟件等。變頻恒壓供水系統(tǒng)能實現(xiàn)雙泵切換控制、休眠控制、消防控制等功能。 供水設(shè)備各部分協(xié)調(diào)工作，保證系統(tǒng)順利完成各個功能，時刻為用戶提供高效可靠的供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng)可以根據(jù)時刻變化的水壓不斷改變變頻器的輸出頻率，通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水達到相應(yīng)的要求。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 17 第 3 章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 PLC 及其特殊功能模塊的選型 FX2N 系列是三菱公司的典型產(chǎn)品，該機型在運算速度、指令數(shù)量及通訊能力方面有了較大的進步，是一種小型化、高速、高性能的 PLC。它易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。嚴格的生產(chǎn)工藝保證了內(nèi)部電路先進的抗干擾技術(shù)，具有很強的可靠性。它具有 體積小、重量輕、能耗低的優(yōu)點。除了這些，每個基本單元最多可以連接一個功能擴展板， 8個特殊單元和特殊模塊。 本次設(shè)計選用的 PLC 型號是 FX2N32MR。 FX2N4AD 和 FX2N4DA 一樣，模擬調(diào)速模塊有 4 個輸入通道，最大分辨率為 12 位?；陔妷夯螂娏鞯妮斎?/輸出的選擇通過用戶配線來完成，可選用的模擬值范圍是 10V到 10VDC（分辨率 5mV），或者 4 到 20mA， 20 到 20mA（分辨率： 20μ A）。 它們 和 FX2N主單元之間通過緩沖存儲器交換數(shù)據(jù)， 各 有 32個緩沖存儲器（每個 16 位）。 特殊功能模塊 占用 FX2N 擴展總線的 8 個點，這 8 個點可以分配輸入或輸出，消耗 FX2N 主單元或有源擴展單元 5V電源槽 30mA 的電流。 變頻器選型 FR700 系列變頻器是三菱公司最近推出的新產(chǎn)品，它在擴大調(diào)速范圍、提高最大輸出頻率、加快響應(yīng)速度以及增強網(wǎng)絡(luò)功能等方面都有很大的改進。 FRA740 系列是高性能、矢量控制的通用變頻器， 使用這個系列的變頻器 可以進行開環(huán)或閉環(huán)控制。該系列產(chǎn)品采用三相 AC400V 供電，可以 控制的電機功率范圍為 ～ 500kW,輕載工作時可以達到 630kW。 三菱 A740 系列變頻器在無速度反饋、普通感應(yīng)電機控制時的有效調(diào)速范圍可以達到 1:200，最大輸出頻率為 400Hz，速度響應(yīng)可以達到 120rad/s（ 20Hz），過載能力可達 200%。變頻器在增加速度反饋選件（ FRA7AP）、采用專用電機后，有效調(diào)速范圍可以達到 1:1500，速度響應(yīng)可以達到 300rad/s（ 48Hz），性能已經(jīng)接近于交流伺服驅(qū)動器。 A740 系列在閉環(huán)控制時可以像交 流主軸驅(qū)動器與伺服驅(qū)動器一樣，在“零速”時仍然輸出伺服 鎖定轉(zhuǎn)矩。還有很重要的一點便是，它 在 90～ 1800 r/min 范圍內(nèi)具有優(yōu)異的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性能（在 1800～ 3600 r/min 為恒功率調(diào)速），其整體性能已經(jīng)接近交流主軸驅(qū)動器與伺服驅(qū)動器。因此，它被頻繁用于位置、轉(zhuǎn)矩控制的場合。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻運行的兩臺水泵功率均為 370W。 三菱 ， 即代表額定功率為 400W，這個型號的 變頻器 已 能滿足要求。 而且， FRA740 這個系列的變頻器非常適用于風(fēng)機、水泵等大負載的設(shè)備中 。 兩臺常規(guī)循環(huán)泵在此變頻器的帶動下，即使用水量不斷變化 ，也能始終保持管網(wǎng)水壓恒定，實現(xiàn)日常生活供水功能。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 18 電控設(shè)備選型 1. 熔斷器選型 熔斷器是通過電流的熱效應(yīng)來斷開電路的。 電流流過熔斷器內(nèi)的熔體， 當(dāng)其值過大， 電流產(chǎn)生的熱會使熔體某一個地方熔化，電路被斷開 ，電器設(shè)備因此受到保護。熔斷器一般用在短路保護中 。 熔斷器的選擇主要靠熔體的額定電流來確定。 當(dāng)熔斷器用于保護多臺電動機，且這些電動機都不同時啟動時， 應(yīng)按下面的公式進行計算 在上面的式子中 ， 容量最大的一臺電動機的額定電流 用 表示 ； 為 剩下的電動機額 定電流的總和。 經(jīng)計算， ≥ ～ ，所以，熔斷器的型號應(yīng)選 RL625， 熔體的額定電流為10A。 2. 接觸器選型 接觸器在選用時，其額定電流應(yīng)大于等于電路的額定電流 ，這樣才能對電路進行有效的接通與斷開。對電動機，可以按下式進行計算 在上面的式子中， K 為經(jīng)驗系數(shù)，可為 1～ 。 計算后得 取 ～ ，因此，選 CJ105 型接觸器。 3. 熱繼電器選型 熱繼電器與熔斷器一樣，也是靠電流的熱效應(yīng)來保護電器的。當(dāng)電動機出現(xiàn)過載時， 熱繼電器能在此時切斷電路來保護電動機。 過載電流變化時，熱繼電器能夠自動對動作時間進行調(diào)整。 熱繼電器具有反時限保護特性， 過載電流比較大的話，熱繼電器的動作時間就短；過載電流很小，熱繼電器則把動作時間調(diào)長一點。 熱繼電器的型號與其內(nèi)部的熱元件的額定電路等級也是根據(jù)電動機的額定電流來確定的。 熱繼電器中熱元件的額定電流 應(yīng)等于或者大于電動機的額定電流。由此可知，應(yīng)選 JR1620/3 型熱繼電器，熱元件的額定電流為 。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 19 系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計 圖 31 變頻恒壓供水對象模型結(jié)構(gòu) 普通閥單向閥消防泵休眠泵變頻泵2變頻泵1生活管網(wǎng)支路生活管網(wǎng)支路消防管網(wǎng)支路消防閥一層排水管網(wǎng)支路排水管網(wǎng)支路二層消防閥消防管網(wǎng)支路生活管網(wǎng)支路 生活管網(wǎng)支路排水管網(wǎng)支路三層消防閥消防管網(wǎng)支路生活管網(wǎng)支路 生活管網(wǎng)支路??四層五層 ??六層 ??排水管干路蓄水池消防管網(wǎng)干路生活管網(wǎng)干路壓力表1壓力表3壓力表4 壓力表2 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 20 變頻恒壓供水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中 普遍采用的一種水處理系統(tǒng) 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量簡單，但一些必要的功能卻不能少。 有些 供水系統(tǒng) 僅由一兩臺水泵機組構(gòu)成，它們只能為幾路管道供水。當(dāng)用于實際樓層中時，它們的缺點便暴露了出來。這些 供水系統(tǒng) 然 不能用在情況復(fù)雜的環(huán)境中，這是它們最大的弊病。 它們 在控制系統(tǒng)設(shè)計上，僅由 PLC 等控制設(shè)備獨立完成自動控制過程，缺乏牢靠的手動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)投運前的不確定因素?zé)o法排除。 雖然它們有些也采用 PLC 進行簡單的邏輯控制 ，但它們在功能上是不能與 自動化程度高的 變頻恒壓供水系統(tǒng) 相比的。 真實的樓層供水系統(tǒng) 包含消防水系統(tǒng)、 生活水系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng) ， 只有 變頻恒壓供水系統(tǒng) 才能為此提供可靠的供水。 情況越復(fù)雜，對所需的供水設(shè)備的性能也要求越高。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 采用 PLC、變頻器等高度自動化設(shè)備，它適用于各種對供水要求高的場合。 它集成了各種先進的控制技術(shù)， 能自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速， 始終 保障人們供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 由儲水系統(tǒng)、動 力系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)、回水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（手動控制、自動控制）組成。 輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上劃分為生活水系統(tǒng)和消防水系統(tǒng)，生活水和消防水兩路水系統(tǒng)之間采用特殊單向影響結(jié)構(gòu)，保證了消防管道在非火災(zāi)模式下的內(nèi)部水壓，而消防模式下的消防 水壓不影響正常的生活供水壓力；回水系統(tǒng)采用有機玻璃材料結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)可觀察性。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 主要設(shè)備的技術(shù)指標如下： 1．對象高度： 2米； 2．輸水管道口徑 12mm； 3．生活水系統(tǒng) 生活水系統(tǒng)支路出水口（水龍頭）數(shù)量 12 個（每層 2個），口徑 12mm； 按照每 個水龍頭出 水 100ml/s=6L/min=6Kg/min 計 算，需求工 作流量1000ml/s=60L/min，額定工作揚程 3m； 生活水動力系統(tǒng)由 2 臺水泵（變頻運行）構(gòu)成，每臺功率 370W，揚程 12m，流量 50L/min，進水口徑 20mm，出水口徑 12mm（另有一臺小功率工頻水泵功率 180W，揚程 8m，流量 30L/min，進水口徑 16mm，出水口徑 12mm，用于在夜間小流量時對生活管網(wǎng)供水）。 4．消防水系統(tǒng) 消防供水支路出水口數(shù)量 6 個（每層 1 個），口徑 12mm； 按照每 個消防栓出 水 100ml/s=6L/min=6Kg/min 計 算，額定工 作流量600ml/s=36L/min，需求工作揚程 3m； 消防供水支路水泵功率 370W，揚程 12m，流量 50L/min，進水口徑 20mm；出水口徑 12mm（技術(shù)參數(shù)與恒壓供水支路 的 2 臺變頻水泵一樣）。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)