PLC、變頻恒壓樓宇供水系統方案的設計

1恒壓供水系統的基本構成
恒壓供水泵站一般需要設多臺水泵及電機，這比設單臺水泵電機節能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應的會不足。而且水泵與電機維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉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供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，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。如圖3-1供水系統方案圖。

圖3-1 供水系統方案圖
圖中，水泵電機是輸出環節，轉速由變頻器控制，實現變流量恒壓控制。壓力傳感器檢測管網出水壓力，并將其轉變為變頻器可接受的模擬量信號。變頻器接受反饋信號后，根據給定信號和反饋信號的比值，進行PID調節來控制自身的輸出頻率，從而對水泵進行速度控制?？刂葡到y的工作原理：變頻調速恒壓供水控制zui終是通過調節水泵轉速來實現的，水泵是供水的執行單元。通過調速能實現水壓恒定是由水泵特性決定的。如圖3-2：

圖3-2 供水系統原理框圖
（1）壓力變送器
圖中在管道中裝壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口。當用水量大時，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變為電流或電壓的變化送給變頻器，壓力變送器輸出信號是隨著壓力而變的電壓或電流信號。當距離較遠時，應取電流信號以消除因線路壓降而引起的誤差。通常取4～20mA，以利于區別零信號（信號系統工作正常，信號值為零）和無信號（信號系統因斷路或未工作而沒有信號）。壓力變送器一般選取在離出水口較遠的地方，否則容易引起系統振蕩。
（2）遠傳壓力表
遠傳壓力表的基本結構是在壓力表的指針軸上附加了一個能夠帶動電位器滑動觸點的裝置。因此，從電路器件的角度看，實際上是一個電阻值隨壓力而變的電位器。使用時可將遠傳壓力表與變頻器直接連接。圖中P為遠傳壓力表。
電機功率較大時，系統可為每臺電機配備電機保護器，在變頻器的控制下穩定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網的壓力穩定時，控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被 PLC檢測到，變頻器通過控制基板自動將原工作在變頻狀態下泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將一臺泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網的供水量保證壓力穩定。若兩臺泵運轉仍不能滿足水壓要求，則依次將變頻工作狀態下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。
當用水量減少時，首先表現為變頻器已工作在zui低速信號有效，這時壓力上限信號如仍出現，PLC首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當上述兩個信號仍存在時，PLC再停掉一臺工頻運行的電機，直到zui后一臺泵用主頻器恒壓供水。
2 恒壓供水的原理
變頻器控制1#變量泵與管道壓力變送器構成閉環控制系統，當變頻器運行到全速而反饋壓力仍達不到設定值時，變頻器首先降速到頻率設定值，同時內部1#繼電器動作觸發2#泵軟啟動器開始運行工頻泵，投入2#工頻泵運行。這時變頻提速，尋找恒壓點完成*級無擾動切換。當變頻器運行到低速而監測達到壓力設定時，在切除工頻泵之前，變頻首先提速后，再將先投入的工頻泵切除。工頻泵的投切分級循環方式可定義。
（1）手動工頻控制方式
當轉換開關打到手動位置時，此時為工頻運行，按下啟動按鈕1SB（綠），接觸器KM1閉合，水泵電機將工頻運行，工頻運行信號燈HL0將亮，按下停止按鈕4SB（紅），水泵電機將停止運行。該控制方式一般用于當變頻器出現問題時使用。
（2）自動變頻控制方式
當轉換開關打到自動位置時，此時將投入自動變頻控制方式，變頻器根據遠傳壓力表的反饋信號，自動調節輸出頻率，從而改變水泵的轉速，達到恒壓供水的目的，當壓力增大時，將減小輸出頻率，使電機轉速降低，減小供水量，當壓力減小時，將增大輸出頻率，使電機轉速增高，增大供水量。
3 系統功能
（1）  PID的調節功能
由壓力傳感器反饋的水壓信號(4-20MA或-5V)直接送入變頻器，設定給定壓力值，PID參數值，并通過計算比較以切換泵的操作完成系統控制，系統參數在實際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。
（2） “休眠”功能
系統運行時經常會遇到用戶用水量較小或不用水(如夜晚)情況，為了節能，該系統設置了可以使水泵暫停工作的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下*，變頻器停止工作，2＃泵不工作，水泵停止(處于休眠狀態)。當水壓繼續升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2＃泵，當頻率到達一定值后將啟動1＃泵調節2＃泵的轉速。
 “休眠值”變頻器輸出的下限頻率參數設置。
 “休眠確認時間”用參數設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時間如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續工作，當td＞tn時變頻器將進入休眠狀態。“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下限值時由變頻器向PLC發出喚醒指令。
　經測試“休眠值”為10HZ。
“休眠確認時間”td:20s
“喚醒值”70%
（3） 通訊功能
該系統具有計算機的通訊功能，PLC變頻器均提供有RS232或485接口，PLC可選用三菱的FX0n，計算機可以與一套或多套系統進行通訊.利用計算機同時可以監測：電流、電壓、頻率、轉速、壓力等也可以控制變頻器的各類參數。
4 恒壓供水系統控制分析
水泵出口壓力恒定控制，它適用于管網系統阻力損失占總揚程比例較小的情況。
管網末端壓力恒定控制，適用于小區管網線路長，流量變化產生的阻力損失占總揚程比例較大時，以管網末端不利點，所需壓力進行恒壓控制，達到zui節能的要求?？刂品绞降倪x擇，要結合供水規模，供水對象，設備費用，長期運轉費及我國現有電器產品性能等進行綜合考慮比較后確定。水泵出口恒壓控制，由于電控系統比較簡單，便于查出故障和維護，故在我國建筑小區供水系統采用廣泛。
 水泵轉速變化幅度一般調在（80%~100%）n，n為水泵每分鐘轉數，單位r/min，因為這個范圍內機組和電控設備的總效率比較高。
當啟信號輸入時變頻器啟動*臺泵當該泵達到zui高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時，先停止zui先啟動的泵。
4.1 過程控制
以兩臺水泵的恒壓供水系統為例，系統在自動運行方式下，變頻器控制可編程控制器軟啟動1#泵，此時1#泵進入變頻運行狀態，其轉速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時（Qmax為兩臺水泵全部工頻運行時的zui大流量），可編程控制器CPU根據根據供水量的變化自動調節1#泵的運行轉速，以保證所需的供水壓力。當用水量Q在1/3Qmax<Q<Q<Qmax時，可編程控制器發出指令再將2#泵置于工頻運行狀態，同時軟啟動2#泵進入變頻運行工況，此時2#泵的運行轉速由用戶的用水量確定，以保證供水系統zui不利點的供水壓力恒定。
4.2 控制系統保證
（1）工頻/變頻控制方式的轉換操作
為保證系統的可靠性，必須提供工頻/變頻兩種操作方式，以減少因變頻器故障或設備檢修維護等原因而造成無法供水的現象，要求控制系統必須設立手動工頻操作方式，一般采用轉換開關或組合開關作為選擇操作設備。
（2）自動運行
即每一臺泵具有變頻自動恒壓控制功能，當用水量不夠時，可自動投入另外一臺或幾臺工頻泵運行。
（3）手動運行
當壓力傳感器故障或變頻器故障時，為確保用水，每臺泵可分別以手動工頻方式運行。將轉換開關打到“工頻”檔位，操作人員可以根據需要自己決定起動或停止任意一臺泵的運行。由于在該操作方式下， PID、變頻器等均不參加控制，因此，從技術角度上來說，該方式無法保障出水管網壓力值的恒定，所以必須有人監守。該方式主要供設備故障檢修時使用。
5 水泵的轉速與其揚程H、流量Q及功率的關系
（揚程：是指水泵單位質量的液體通過泵后所獲得的能量，通常稱之為揚程。用H表示。
流量：流量是水泵在單位時間內所抽送液體的數量，常用的流量是體積流量，用Q表示，其單位是m3 /h。
根據流體力學原理可知，當水泵的轉速發生變化時，其揚程H、流量Q及水泵功率P也隨之變化，他們之間有以下關系：
Q2/Q1=(n2/n1)
 H2/H1=(n2/n1)2
 P2/P1=(n2/n1)3
即流量Q與轉速n的一次方成正比；揚程H與轉速n的平方成正比；水泵功率P與轉速n的立方成正比。下面表3-1可較為直觀的理解。
表3-1離心水泵的參數