恒壓水控的工作原理

1 恒壓水控系統(tǒng)概述

恒壓供水是指用戶在任何時候，不管用水量的大小，總能保持管網中水壓的基本恒定。在高層建筑中，通常采用恒定管網的壓力來維持對高層的供水。

恒壓供水系統(tǒng)的基本控制策略是:采用可編程控制器也就是我們所說的PLC與變頻調速裝置構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調速運行。并自動調整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，以保證供水管網的壓力保持在設定值。運用了恒壓水控技術以后，既可以滿足生產供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，為居民供水提供便利。

2 PLC、變頻器在現(xiàn)代水控系統(tǒng)中的運用

自來水廠的自動控制系統(tǒng)一般分為兩大部分，一是水源地深水泵的工作控制，而另外一種則是水廠區(qū)變頻恒壓供水控制。水廠區(qū)變頻恒壓供水控制運用十分廣泛，水廠在運用變頻恒壓供水控制時，水源通過水廠區(qū)對水池的水進行消毒處理后，使得加壓泵向管路進行恒壓供水，其間，就需要選用PLC和上位機組成實時數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。

對深水泵進行遠程控制，并且對供水泵采用變頻器進行恒壓控制，通過PLC、變頻器在現(xiàn)代水控系統(tǒng)中的運用，可以保證整個水廠的工作電機安全，可靠地運行。

3 運用PLC、變頻器水控系統(tǒng)的特性

運用了變頻器和PLC的恒壓供水系統(tǒng)，變頻器可以為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調速。從而使管網水壓連續(xù)變化。此外壓力變送器還具有檢測管網水壓的作用。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設備，同時還是變頻器的驅動控制，根據(jù)用水量的實際變化，實現(xiàn)自動化運行。變頻器和PLC的應用為水泵轉速的平滑性連續(xù)調節(jié)提供了方便，對于消除了對電網、電氣設備和機械設備的沖擊，延長機電設備的使用壽命具有很大的作用。

變頻器、PLC在水控系統(tǒng)中的運用設計

利用變頻器與PLC設計水控系統(tǒng)，需要根據(jù)供水管道的壓力值控制水泵電機轉速，將壓力維持在所需的壓力值上，將平時不必消耗的能量節(jié)省下來，從而達到節(jié)電的目的。設計主要的流程分為以下幾個步驟：

1 恒壓供水系統(tǒng)主電路設計

在現(xiàn)代工業(yè)運用中，恒壓水控系統(tǒng)一般包括3臺水泵電動機M1、M2、M3， 通過模擬設定，其中Ml的功率為45kW，M2為22kW，M3為22kW。設計電路時，為該系統(tǒng)設計一臺變頻器依次控制每臺水泵，來實現(xiàn)恒壓控制。

為了使得系統(tǒng)具有變頻和工頻兩種運行狀態(tài)，當變頻泵達到水泵額定轉速后，如水壓在所設定的判斷時間內還不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)自動將當前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵。

可以設計其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制Ml、M2、M3變頻運行，KMl、KM3、KM5分別控制Ml、M2、M 3工頻運行， FU為主電路的熔斷器，變頻器是風機水泵負載專用變頻器MM430，通過合理的分析，可以得到的恒壓供水系統(tǒng)主電路設計圖如圖1所示。

圖1 恒壓供水系統(tǒng)主電路設計圖

2變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設計

變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設計主要包括四個大的板塊：

• 一是壓力傳感器，是水控系統(tǒng)的控制輸入量，能否準確采集該信號決定控制系統(tǒng)的精度及可靠性。
• 二是PLC控制器,是整個控制系統(tǒng)的核心，通過對外界輸入狀態(tài)進行檢測，對外界輸入的數(shù)據(jù)進行運算處理后，輸出相應的控制量。
• 三是變頻器，作為核心控制器的后續(xù)控制單元，對終端設備進行控制，最終達到控制要求。例如多段調速、變頻器調速等。
• 最后還有水泵組成，供水系統(tǒng)的執(zhí)行機構，通過變頻器控制電動機的轉速，最后達到控制水泵流量大小的。

變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成圖

據(jù)城市供水電氣控制系統(tǒng)的功能要求，從經濟性、可靠性等方面來考慮，由于城市供水電氣控制系統(tǒng)的輸入/輸出端口較多，而其控制過程相對復雜，結合變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成設計，可以規(guī)劃出變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 變頻器、PLC恒壓供水系統(tǒng)的組成

PLC和變頻器在水控系統(tǒng)中的運用改進

現(xiàn)代水控系統(tǒng)運用PLC與變頻器還存在著一定的局限性。主要體現(xiàn)在主要是PLC的軟、硬件體系結構是封閉而不是開放的：如專用總線、專家通信網絡及協(xié)議，I/O模板不通用，甚至連機柜、電源模板亦各不相同。編程語言雖多數(shù)是梯形圖，但組態(tài)、尋址、語言結構均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。

使用變頻器時也存在著一些缺點：如使用變頻器會產生干擾電波，影響到同一電網的敏感元件。在工業(yè)實踐中，常常產生一些問題困擾著水控系統(tǒng)的工作人員，對此，通過分析，可以總結出幾條對于運用變頻器和PLC的常見應急措施：

1 變頻泵過壓跳閘問題

以某水務局的水控系統(tǒng)為例，一臺100KW工頻泵和一臺160KW變頻泵并聯(lián)為市區(qū)供水為例，當100KW工頻泵拉閘停機時，變頻泵報過壓跳閘。某水務局水控設計圖如圖4。

圖4 某水務局的水控系統(tǒng)

通過這一具體的案例分析可以知道工頻泵工作時，水流在管道中高速流動，形成很大的慣性。當工頻泵突然停止，管道中產生負壓，形成空化現(xiàn)象，負壓將水從變頻泵中吸入，推動葉輪轉動，使電動機的轉速高于變頻器的輸出轉速，電動機產生發(fā)電效應。為此，可以通過在變頻器上加裝制動電阻來解決變頻泵過壓跳閘這一問題。

2電動機過流現(xiàn)象

在鄂爾多斯某水務局一臺變頻水泵，當變頻器輸出頻率達到16Hz時，總是會出現(xiàn)變頻器過流跳閘的現(xiàn)象。通過分析，可以知道因為變頻器驅動的是水泵，水泵按平方率特性曲線輸出，不會在某頻率出現(xiàn)過載情況。那么變頻器過流另有原因。

斷開電動機，空載運行正常，再接入電動機，仍然在16Hz左右出現(xiàn)過流跳閘。換一臺電動機，運行正常，說明過流是電動機故障。

對此，為了處理電動機的過流問題，可以分解電動機，發(fā)現(xiàn)電動機繞組有短路現(xiàn)象。原來變頻器的輸出頻率上升時，電壓也在上升，當電壓上升到匝間擊穿電壓時，變頻器過流跳閘。

3 水泵變頻器過載

某供水單位使用艾默生TD2000-4T0300P (30KW)變頻器拖動水泵負載，如圖5所示。使用過程中變頻器經常報E013過載，檢查故障電流記錄58A，經查說明書：風機、水泵變頻器過載能力為：110％ 額定電流1分鐘，通過研究發(fā)現(xiàn)：變頻器的過載保護按反時限曲線不同分為G型和P型。

本例機型為P型機，當變頻器輸出電流達到95％持續(xù)時間達到1小時時，即報“E013”。當變頻器輸出電流達到110％、持續(xù)時間達到1分鐘也同樣報E013。

圖5 艾默生TD2000-4T0300P (30KW)變頻器拖動水泵運行圖

經現(xiàn)場了解和查看，發(fā)現(xiàn)水泵負載長期工作在48Hz，電流長期在58A左右，報E013的原因為變頻器帶載能力不夠，需要更換更高一級的變頻器，即更換為TD2000-4T0370P或EV2000-4T0370P（37KW）。

4 PLC與變頻器在水控系統(tǒng)運用的改進措施

為了提高水控系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定性與安全性，對于PLC與變頻器的使用有著一些注意事項以及改進措施。

為了實現(xiàn)對設備的分散控制和集中管理，水控系統(tǒng)應當采用了三層網絡進行控制，主電路中變頻與工頻中使用的接觸器應采用帶有機械聯(lián)鎖的接觸器，并且應當嚴禁將工頻電源引入到變頻器中。

變頻器的供電部分除了加裝空氣開關外，最好加裝快速保險，以保證由于過電流造成的損壞PLC編程要考慮的問題。而作為最重要的人機操作界面的變頻器操作面板，它不僅能夠實現(xiàn)參數(shù)的輸入功能，還能實現(xiàn)頻率、輸出功率、輸出轉矩、端子狀態(tài)、閉環(huán)參數(shù)、長度等物理量的監(jiān)控，以及對這些物理量進行存儲與修改。

于是，適當?shù)耐ㄟ^變頻器的故障報警顯示，對上述物理量進行適當修改，來排除變頻器的有關故障也顯得十分必要。

多點網絡控制技術是是通信技術、計算機技術、控制技術發(fā)展的結合點，它既能獨立運行，也可連成網絡，實現(xiàn)集散自動化系統(tǒng)的復雜控制功能，應用領域覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業(yè)領域，用這種技術設計的自來水廠分布式監(jiān)控系統(tǒng)，經多年的實際運行證明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運行可靠，報警及時，且對于變頻器以及PLC的穩(wěn)定性具有可靠地保障。運用這種控制技術對結合了變頻器以及PLC的水控系統(tǒng)，具有較大的推廣價值。

結論

運用了變頻器和PLC的水控系統(tǒng)，不僅性能穩(wěn)定可靠，而且能夠非常好地控制可編程序控制器及其有關設備，水控系統(tǒng)與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，對于恒壓水控系統(tǒng)的功能擴充和設計創(chuàng)新，實為重要。

（編自《電氣技術》，原文標題為“變頻器&PLC在供水控制系統(tǒng)中的應用”，作者為馬衛(wèi)忠。）