張煒， 張民， 董雷
（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266520）
摘要：為了確保在生活生產(chǎn)和消防狀態(tài)下，供水系統(tǒng)能夠可靠高效地穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)一套以可編程邏輯控制器PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)、PID調(diào)節(jié)和壓力傳感等技術(shù)的自動(dòng)恒壓變頻供水系統(tǒng)。該供水系統(tǒng)可以根據(jù)用水負(fù)荷自動(dòng)快速調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和增減水泵電機(jī)投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)能夠保證當(dāng)處于生活供水狀態(tài)時(shí)保持低恒壓值運(yùn)行，而當(dāng)處于消防供水狀態(tài)時(shí)保持高恒壓值運(yùn)行。該系統(tǒng)選用西門子S7-200、風(fēng)機(jī)水泵專用型變頻器MicroMaster430、壓力傳感器等，采用MCGS組態(tài)軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)表明，該供水系統(tǒng)能夠有效地避免人為操作復(fù)雜性和不可靠性，達(dá)到提升供水品質(zhì)和節(jié)能高效的目的。
關(guān)鍵詞：恒壓變頻供水；可編程邏輯控制器PLC；變頻調(diào)速；水泵；PID控制
0引言
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的持續(xù)提升, 對(duì)供水系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。目前市政管網(wǎng)依然承擔(dān)著為生活生產(chǎn)和消防滅火供水的重要任務(wù)。而且我國(guó)是一個(gè)嚴(yán)重干旱缺水的國(guó)家，水資源分布不均，人均淡水量?jī)H為國(guó)際平均水平的四分之一。而且我國(guó)水資源污染問(wèn)題不斷加劇，地下水超采現(xiàn)象和用水效率低下的問(wèn)題頻繁發(fā)生，這些都使我國(guó)水資源的供需矛盾更加突出。
恒速供水方式不僅會(huì)導(dǎo)致水壓不穩(wěn)以及水錘現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)供水設(shè)備造成巨大損壞，產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，而且會(huì)耗費(fèi)大量的電力資源。傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)存在著水泵在工頻狀態(tài)下頻繁啟停、對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞、沖擊電網(wǎng)、自動(dòng)化程度低、資源利用率低等諸多問(wèn)題。
恒壓變頻供水系統(tǒng)正好可以很好地解決以上問(wèn)題，伴隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和PLC的廣泛應(yīng)用，該供水系統(tǒng)也得到了不斷發(fā)展和逐步完善。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)將以PLC為控制核心，以供水管網(wǎng)的壓力傳感器變送信號(hào)為反饋信號(hào)，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)、PID控制與通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以根據(jù)用水負(fù)荷的變化自動(dòng)快速調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以及增減投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。而且在平時(shí)生產(chǎn)生活時(shí)保持低恒壓狀態(tài)，滿足生產(chǎn)生活用水高低峰的恒壓供水。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，則處于消防狀態(tài)，管網(wǎng)壓力調(diào)整為高壓狀態(tài)，滿足消防滅火需求。
1恒壓變頻供水系統(tǒng)構(gòu)成
1.1系統(tǒng)構(gòu)成
本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。其主要由以下元器件構(gòu)成：
（1）1臺(tái)西門子PLC S7200，其CPU型號(hào)為224。由于PLC只能處理數(shù)字量，而水壓、電流、電壓等均為模擬量，故還應(yīng)配備匹配此PLC的模擬量輸入輸出模塊EM235與數(shù)字量輸出模塊EM222。PLC工作穩(wěn)定可靠，抗圖1系統(tǒng)總體構(gòu)成圖
干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單便捷，適用于諸多行業(yè)［1］。
（2）3臺(tái)水泵，為防止1臺(tái)水泵長(zhǎng)期獨(dú)自運(yùn)行，具備定期“倒泵功能”，每當(dāng)1臺(tái)持續(xù)運(yùn)行3小時(shí)后便進(jìn)行切換水泵的操作，防止水泵長(zhǎng)期運(yùn)行而減少其壽命。
（3）1臺(tái)西門子變頻器MicroMaster430，其為風(fēng)機(jī)水泵專用型變頻器［2］。因?yàn)樽冾l器價(jià)格昂貴而且雖然共有3臺(tái)水泵但是運(yùn)行時(shí)只有1臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，其余均為工頻運(yùn)行，故只選用1臺(tái)就能滿足要求。
（4）1臺(tái)壓力傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，并將其作為反饋信號(hào)閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速和投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)。
（5）熱繼電器、熔斷器與電磁閥等相關(guān)輔助元器件若干，其中熱繼電器（FR）利用電流熱效應(yīng)用作水泵電機(jī)的過(guò)載保護(hù)，而熔斷器用于水泵電機(jī)的短路保護(hù)。
1.2控制方式
（1）當(dāng)旋鈕開(kāi)關(guān)SA打到“手動(dòng)”時(shí) ，進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行方式 。在此方式下，可以對(duì)任何一臺(tái)水泵直接工頻啟動(dòng)和關(guān)停。人工手動(dòng)操作繁瑣復(fù)雜，容易出錯(cuò)。此方式主要用在設(shè)備初期調(diào)試和設(shè)備檢修巡檢時(shí)。
（2）當(dāng)旋鈕開(kāi)關(guān)SA打到“自動(dòng)”時(shí)，進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行方式。在此方式下，該供水系統(tǒng)可以自動(dòng)根據(jù)用水量的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使其達(dá)到最優(yōu)配置［3］。而且在此方式下，還能監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)及時(shí)報(bào)警通知工作人員維修，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
2供水系統(tǒng)工作原理
2.1水池水位
液位指示器用于監(jiān)測(cè)水池水位情況，當(dāng)液位低于最高水位H時(shí)，電磁閥YV1開(kāi)啟，市政管網(wǎng)便向水池注水。當(dāng)液位低于最低水位L時(shí)則停止水泵電機(jī)的運(yùn)行，防止水泵空轉(zhuǎn)燒毀，發(fā)生事故。當(dāng)液位高于最高液位H時(shí)，將電磁閥YV1關(guān)閉。
2.2變頻調(diào)速原理
變頻器利用“ACDCAC”的方式采用電力電子元器件實(shí)現(xiàn)通斷，將電壓、頻率固定不變的交流電變成電壓、頻率都可調(diào)的交流電。其先將工頻交流電經(jīng)過(guò)整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電，然后再將直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換
為電壓頻率均可調(diào)的交流電。
三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為n=60f(1-s)/p，式中,n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, s為轉(zhuǎn)差率, f為電源頻率, p為極對(duì)數(shù)。由該公式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，故調(diào)節(jié)電源頻率f便可平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
而轉(zhuǎn)矩T=kn2與轉(zhuǎn)速n的平方成正比，軸功率P與轉(zhuǎn)速n3成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速變?yōu)?/2時(shí),轉(zhuǎn)矩則為1/4,而功率P減為1/8［3］。根據(jù)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，供水系統(tǒng)70%以上的電能用在了水泵上［4］，可見(jiàn)采用變頻器調(diào)速可以極大地減少供水系統(tǒng)的電能消耗。而且如果水泵直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流能達(dá)到額定電流的5~8倍，對(duì)電網(wǎng)造成劇烈沖擊，而變頻啟動(dòng)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
2.3PID調(diào)節(jié)
壓力傳感器將水壓變送成電流或者電壓信號(hào)，再經(jīng)模擬量輸入輸出模塊EM235將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)Δx經(jīng)P（比例）、I（積分）和D（微分）環(huán)節(jié)得到頻率信號(hào)，控制變頻器變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。
比例調(diào)節(jié)P是按Δx的值進(jìn)行比例放大，偏差越大，調(diào)節(jié)速度越快，但由于慣性原因容易發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，故比例調(diào)節(jié)不能單獨(dú)使用。積分調(diào)節(jié)I可以減緩調(diào)速過(guò)快的問(wèn)題，減少超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。微分調(diào)節(jié)D根據(jù)Δx的變化率（dx/dt)進(jìn)行調(diào)節(jié)［5］。比例、積分與微分共同構(gòu)成PID調(diào)節(jié)，確保管網(wǎng)水壓恒定。系統(tǒng)閉環(huán)控制如圖2所示。
2.4增泵功能
下面以1#泵正在變頻運(yùn)行，其余2臺(tái)水泵停止運(yùn)行為例說(shuō)明增泵功能。當(dāng)用水量增多，管網(wǎng)壓力減小，促使變頻器加大頻率，1#水泵轉(zhuǎn)速升高，管網(wǎng)壓力增大。如果當(dāng)變頻器增大到50 Hz時(shí)，管網(wǎng)壓力依舊達(dá)不到要求，為防止頻繁啟停水泵對(duì)管網(wǎng)和水泵造成損壞，延時(shí)5 s再監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，若仍達(dá)不到給定壓力則工頻啟動(dòng)1#水泵，2#水泵變頻從0 Hz啟動(dòng)。如果當(dāng)2#水泵頻率到達(dá)50 Hz后，管網(wǎng)壓力仍未達(dá)到給定值，則延時(shí)5 s監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，若管網(wǎng)壓力仍不符合要求則將2#水泵工頻啟動(dòng)，將變頻器切換到3#水泵，從0 Hz開(kāi)始變頻調(diào)速。當(dāng)3臺(tái)水泵都處于滿負(fù)荷運(yùn)行，管網(wǎng)壓力仍低于給定值，說(shuō)明有可能供水管網(wǎng)出現(xiàn)泄漏問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。由1#水泵變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?#水泵工頻運(yùn)行、2#水泵變頻運(yùn)行流程圖如圖3所示。
2.5減泵功能
下面以3#水泵變頻運(yùn)行，1、2#水泵工頻運(yùn)行為例說(shuō)明減泵功能。當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器減小頻率，3#水泵轉(zhuǎn)速減小，管網(wǎng)壓力下降。
當(dāng)變頻器頻率減小到0 Hz時(shí)，管網(wǎng)壓力仍大于給定值，延時(shí)5 s再次監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力。若管網(wǎng)壓力依然大于給定值，則將3#水泵關(guān)停，將2#水泵切換至變頻調(diào)速模式。若用水量進(jìn)一步減少，而變頻器頻率已經(jīng)降至0 Hz時(shí)管網(wǎng)壓力還大于給定值，則延時(shí)5 s。之后再次監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力，若依然大于給定值則將2#水泵關(guān)停，1#水泵切換至變頻調(diào)速狀態(tài)。3#關(guān)停流程圖如圖4所示。
2.6生活/消防分隔
該供水系統(tǒng)是生活與消防共用供水系統(tǒng)，在生活生產(chǎn)中，管網(wǎng)壓力處于低恒壓狀態(tài)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)處于高恒壓狀態(tài)，確保消防有足夠的流量和揚(yáng)程。其占地面積小，效率高，可以減少對(duì)設(shè)備的損耗，極大地減少投資成本，但是對(duì)供電電源的要求更高。該供水系統(tǒng)應(yīng)采用雙電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源便投入使用，并在末端切換。
為了確保在消防狀態(tài)下該供水系統(tǒng)能夠確實(shí)發(fā)揮滅火作用，以及防止水流倒流，污染水源，應(yīng)在消防管網(wǎng)和生活管網(wǎng)之間增加一個(gè)電磁閥，將兩者隔離開(kāi)，形成兩個(gè)獨(dú)立的供水系統(tǒng)［6］。
3上位監(jiān)控系統(tǒng)
本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)中，上位監(jiān)控系統(tǒng)釆用昆侖通泰觸摸屏，主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，并對(duì)故障及時(shí)報(bào)警，通過(guò)PLC控制以實(shí)現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。而PLC的主要任務(wù)是收集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器、電磁閥與繼電器等設(shè)備的控制，以及通信數(shù)據(jù)的交換。
通用監(jiān)控系統(tǒng)（Monitor and Control Generated System，MCGS）是一套基于Windows平臺(tái)由北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化科技有限公司開(kāi)發(fā)，可用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。其功能完善，操作便捷，可視性與可維護(hù)性良好，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用十分廣泛。
MCGS組態(tài)軟件所建立的工程主要由以下五方面組成，分別是主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行策略，如圖5所示。
用戶窗口共有4項(xiàng)，即恒壓變頻供水系統(tǒng)，恒壓變頻供水系統(tǒng)實(shí)時(shí)曲線，恒壓變頻供水系統(tǒng)歷史曲線以及退出提示，用戶界面窗口如圖6示。
監(jiān)控系統(tǒng)使用上位機(jī)的串行接口與PLC的編程口相連接，從而達(dá)到控制PLC的目的。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)RS232線讀取PLC數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了與西門子S7200的連接，監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖7所示。
4結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的恒壓變頻供水系統(tǒng)以PLC為控制核心，結(jié)合變頻調(diào)速技術(shù)、PID調(diào)節(jié)、壓力傳感等技術(shù)，依據(jù)用水負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)生活/消防共用恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行安全穩(wěn)定，節(jié)能高效，控制簡(jiǎn)單便捷，動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，壓力波動(dòng)變化小，占地面積小，而且可以有效減少水錘現(xiàn)象，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少直接啟動(dòng)大電流對(duì)電網(wǎng)的污染，對(duì)提高和改善供水品質(zhì)有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。圖7恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)界面
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