智能變頻供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

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智能變頻供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：變頻器，可編程序控制器PLC, 計(jì)算機(jī)，軟啟動(dòng)器，供水，水泵

作者：林新春

       據(jù)美國(guó)有關(guān)組織調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示：全世界年發(fā)電總量的 55 ％被電動(dòng)機(jī)消耗掉， 20 ％與照明有關(guān)， 5 ％與計(jì)算機(jī)、 Internet 有關(guān)，其他用途占 20 ％。而我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，每年直接被電動(dòng)機(jī)消耗的電能更是高達(dá)年發(fā)電量的 63 ％，其中，風(fēng)機(jī)、水泵則消耗掉我國(guó)年發(fā)電量的 31 ％左右。在這一類應(yīng)用中，變頻供水是一個(gè)典型應(yīng)用，它應(yīng)用范圍廣，節(jié)能效果也很明顯。本人經(jīng)過(guò)多年理論和實(shí)踐方面的研究，設(shè)計(jì)了一系列智能化變頻供水裝置，已應(yīng)用于很多行業(yè)，使用效果非常好，現(xiàn)就這方面的通用化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況做簡(jiǎn)要介紹。

一、 概述

        智能化變頻供水控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要確定供水出口的控制對(duì)象，一般采用控制供水出口壓力，達(dá)到恒壓供水的目的。恒壓供水是指在供水網(wǎng)中用水量發(fā)生變化時(shí)，出口壓力保持不變的供水方式。供水網(wǎng)出口壓力值是根據(jù)用戶需要確定的。傳統(tǒng)的恒壓供水方式采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設(shè)施實(shí)現(xiàn)的。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，利用變頻器、 PID 調(diào)節(jié)器、計(jì)算機(jī)、 PLC 等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)：

        1、 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20 ％－40 ％。

        2、 占地面積小，投入少，效率高。

        3、 配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。

        4、 運(yùn)行合理，由于是軟啟動(dòng)和軟停止，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少，減少了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。

        5、 由于變頻恒壓供水系統(tǒng)是直接從水源供水，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(guò)通訊控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守，節(jié)約了人力和物力。

二、 智能化變頻供水控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、 控制系統(tǒng)的描述 

        如圖所示控制系統(tǒng)以 PLC 為核心，以變頻輸出為主，配備備用的軟啟動(dòng)器，可以用一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)水泵。當(dāng)變頻器不工作時(shí)，完全由軟啟動(dòng)器來(lái)啟停兩臺(tái)水泵。

        控制系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種運(yùn)行方式。當(dāng)在自動(dòng)方式運(yùn)行時(shí)，通過(guò)安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水壓轉(zhuǎn)換成 4 － 20 mA 的模擬信號(hào)，通過(guò)變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器，來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速不再變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。

        當(dāng)一臺(tái)水泵不能滿足要求時(shí)，也就是變頻工作的水泵達(dá)到 50Hz 時(shí)，還達(dá)不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)延時(shí)檢測(cè)將正在變頻運(yùn)行的水泵接到交流電網(wǎng)上成為工頻運(yùn)行，然后用變頻器啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，通過(guò)變頻調(diào)速達(dá)到設(shè)定壓力；當(dāng)兩臺(tái)水泵運(yùn)行供水量過(guò)大時(shí)，變頻器在一定時(shí)間里一直處于低頻率運(yùn)行，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止接到電網(wǎng)中工頻運(yùn)行的水泵，變?yōu)橐慌_(tái)水泵變頻運(yùn)行。

        當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定到自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，變頻器不工作時(shí)，自動(dòng)投入軟啟動(dòng)器。軟啟動(dòng)器根據(jù)供水要求，自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)水泵，一臺(tái)水泵不能滿足要求時(shí)，將第一臺(tái)啟動(dòng)的水泵接到電網(wǎng)上，再啟動(dòng)第二臺(tái)水泵；當(dāng)供水壓力高了，只需要一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)停止接入電網(wǎng)的水泵。

         當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定到手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，可以按啟動(dòng)和停止按鈕任意啟動(dòng)或停止各臺(tái)水泵。

2、 控制程序設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)的可編程序控制器 PLC 是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的關(guān)鍵設(shè)備，它的使用完善和提高了系統(tǒng)的性能，而且安全可靠，便于設(shè)計(jì)和組態(tài)。

        系統(tǒng)是一臺(tái)變頻器帶多臺(tái)水泵， PLC 主要是根據(jù)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)水泵的切換。為了防止變頻器和軟啟動(dòng)器被反送電燒毀，在程序設(shè)計(jì)中采用大量互鎖和延時(shí)動(dòng)作保護(hù)程序。如：當(dāng)?shù)谝慌_(tái)變頻水泵脫開(kāi)變頻器，在互鎖保護(hù)的前提下，經(jīng)過(guò)延時(shí) 1 秒鐘將其接入交流電網(wǎng)，然后再變頻啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。

        程序中設(shè)計(jì)成多個(gè)功能塊，便于根據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)的條件組態(tài)；與外部控制線有機(jī)結(jié)合，形成自動(dòng)和手動(dòng)的閉鎖；不但在軟件中有互鎖保護(hù)，還在外部線路的各接觸器之間互鎖，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的雙重互鎖保護(hù)，用戶隨意使用都不會(huì)發(fā)生誤操作。

3、 系統(tǒng)功能

        （1） 完全達(dá)到可無(wú)人職守的工作狀態(tài)?？梢愿鶕?jù)供水壓力的要求自動(dòng)啟動(dòng)或停止水泵，可以設(shè)定時(shí)間輪換使用變頻工作的水泵（設(shè)定時(shí)間范圍為 0 － 9998 小時(shí)之間任何數(shù)）。

        （2） 實(shí)用性強(qiáng)?？梢愿鶕?jù)用戶要求調(diào)整運(yùn)行程序，根據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)的條件配備檢測(cè)儀表等硬件。

        （3） 保護(hù)功能齊全。除正常必須的保護(hù)功能外，為了防止水泵無(wú)水空轉(zhuǎn)損壞水泵，設(shè)有來(lái)水檢測(cè)裝置。當(dāng)沒(méi)水時(shí)停止水泵運(yùn)行，并報(bào)警；為了防止流量或壓力信號(hào)丟失造成超壓，引起管道破裂，設(shè)有保護(hù)和報(bào)警裝置。

        （4） 可帶多臺(tái)水泵，而且多系統(tǒng)可聯(lián)網(wǎng)供水?？筛鶕?jù)需要配一臺(tái)或多臺(tái)變頻器，也可以一臺(tái)變頻器帶多臺(tái)水泵，也可以組建多個(gè)智能變頻供水系統(tǒng)，系統(tǒng)之間互相聯(lián)動(dòng)。

        （5） 實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程檢測(cè)與通訊。根據(jù)用戶條件，可將變頻器和軟啟動(dòng)器等裝置的參數(shù)、壓力信號(hào)、流量信號(hào)、供電電壓、供電電流等信號(hào)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和信號(hào)箱上。

三、 智能化變頻供水控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用場(chǎng)合

        為了較好完成控制系統(tǒng)功能，在實(shí)際施工安裝中，我們采用了西門子變頻器和可編程序控制器 LoGo 、 S7-200 ，以及優(yōu)質(zhì)的軟啟動(dòng)器、接觸器、啟停按鈕和信號(hào)燈，并做防電磁干擾工作。此系統(tǒng)主要應(yīng)用場(chǎng)合如下：

        1、 高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。

        2、 各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等。

        3、 中央空調(diào)系統(tǒng)。

        4、 自來(lái)水廠增壓系統(tǒng)。

        5、 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。

        6、 各種流體恒壓控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

1 、《電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)》 [美]B.K.鮑斯著 朱仁初等譯 西安交通大學(xué)出版社 1989年3月

2、《電力拖動(dòng)與控制》 中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編  機(jī)械工業(yè)出版社 2001年7月

3、西門子產(chǎn)品資料 西門子（中國(guó)）有限公司出版