許燕妮

摘 要：變頻調(diào)速技術(shù)具有節(jié)能、改善工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量和便于自動控制等眾多優(yōu)勢，被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)節(jié)能方面應(yīng)用廣泛，但是如何根據(jù)實(shí)際情況綜合分析，設(shè)計(jì)出適合具體環(huán)境的控制系統(tǒng)，使之取得更好的應(yīng)用效果，值得深入探究。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速技術(shù);供水系統(tǒng);校園

中圖分類號：TM921.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0091-03

Application Research of Frequency Conversion Speed Regulation Technology in Campus Water Supply System

XU Yanni

（Guangxi Electromechanical Engineering School，Nanning Guangxi 530001）

Abstract： Frequency conversion speed regulation technology has many advantages such as energy saving， improvement of process flow， improvement of product quality and easy automatic control， which is recognized as the most promising speed regulation method at home and abroad. Frequency conversion speed regulation technology is widely used in energy saving of water supply system， but how to design a control system suitable for specific environment according to the actual situation and make it achieve better application effect is worthy of further investigation.

Keywords： frequency conversion technology;water supply system;campus

校園用水的特點(diǎn)是時(shí)間集中，所以學(xué)校供水系統(tǒng)運(yùn)行有峰谷時(shí)間。廣西機(jī)電工程學(xué)校每天06：00—07：30、17：00—19：30、21：30—23：00是用水高峰期，每到這個(gè)時(shí)候，用水量大，四樓以上的水壓往往不夠，嚴(yán)重影響學(xué)生的生活質(zhì)量，而學(xué)生上課期間用水量很小，管壓力幾乎為零。如果采用交流電動機(jī)恒速傳動的方案運(yùn)行，依靠利用閥門調(diào)節(jié)的泵類設(shè)備，使用效率較低，能源浪費(fèi)嚴(yán)重[1]。那么，怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)供水系統(tǒng)，使之能夠根據(jù)用水的峰谷期自動調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方案，是值得探究的問題。

根據(jù)流體力學(xué)的基本定律[2-3]，水泵的轉(zhuǎn)速n與揚(yáng)程H、流量Q及軸功率P之間的關(guān)系如下：

由此可見，水泵的流量與其轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與其轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與其轉(zhuǎn)速的立方成正比。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速降低后，其軸功率所需的電功率亦可相應(yīng)降低。由于軸功率（耗電）與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，假如n2/n1降低1/2，則P2/P1=1/8。也就是說，通過調(diào)速方式降低轉(zhuǎn)速，可大大降低軸功率，可以達(dá)到很好的節(jié)電效果。變頻調(diào)速技術(shù)是目前國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式，如何應(yīng)用變頻高速技術(shù)改善供水系統(tǒng)的運(yùn)行呢？

1 PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)由壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器、水泵組、可編程控制器組成，如圖1所示。廣西機(jī)電工程學(xué)校供水系統(tǒng)有三臺水泵電動機(jī)，可以運(yùn)用變頻器對三臺水泵電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。人們運(yùn)用壓力傳感器檢測當(dāng)前總管壓力，送入PID調(diào)節(jié)器與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果送入變頻器，控制變頻器的輸出電壓頻率，從而改變水泵轉(zhuǎn)速和供水量，最終保持管網(wǎng)壓力在設(shè)定近似值，達(dá)到節(jié)能效果。系統(tǒng)泵前水壓為設(shè)定參數(shù)，當(dāng)泵前水壓大于設(shè)定值時(shí)，利用直通電磁閥，直接給用戶供水;當(dāng)泵前壓力小于設(shè)定值時(shí)，直通電磁閥關(guān)閉，系統(tǒng)啟動水泵，利用變頻器來改變水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵的流量和壓力。

2 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的組件主要有變頻器、其可編程控制器（PLC）和低壓控制電器。選用VVVF ECO功率7.5 kW變頻器調(diào)速器，采用德國西門子的S7-200系列 CPU224可編程控制器。

系統(tǒng)功能如下：系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)換開關(guān)SA，可實(shí)現(xiàn)自動、手動及待機(jī)狀態(tài);三臺水泵輪換成循環(huán)軟起動，水泵均衡工作，并能根據(jù)管網(wǎng)壓力自動調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速及工作臺數(shù);可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定開、關(guān)機(jī)的時(shí)間;儲水池缺水時(shí)，自動停機(jī)保護(hù);系統(tǒng)設(shè)有水泵運(yùn)行狀態(tài)指示。

2.1 系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)

PLC控制的變頻恒壓供水主電路如圖2所示。圖中，各符號含義如下。

QS表示電源總開關(guān);QF1、QF2、QF3、QF4分別為變頻器和三臺電動機(jī)的自動空氣開關(guān)，控制變頻器和三臺電動機(jī)的電源;M1、M2、M3表示三臺15 kW電動機(jī)，分別帶動三臺水泵#1、#2、#3。

KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6 是六個(gè)交流接觸器，其中，KM1、KM3、KM5控制M1、M2、M3三臺水泵的工頻運(yùn)行，KM2、KM4、KM6控制M1、M2、M3三臺水泵的變頻運(yùn)行;FR1、FR2、FR3是三個(gè)熱繼電器，分別作為M1、M2、M3三臺電動機(jī)的過載保護(hù)用;VVVF ECO為變頻調(diào)速器;PAC為遠(yuǎn)傳壓力表。

2.2 系統(tǒng)的控制電路設(shè)計(jì)

圖3系統(tǒng)控制電路圖中，SA為手動/自動切換開關(guān)。手動狀態(tài)是在應(yīng)急和檢修時(shí)臨時(shí)使用的，SA在手動狀態(tài)按下SB1～SB6可以控制三泵的起停。SA自動狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)PLC的程序運(yùn)行，自行控制三臺水泵的起停。HL1～HL10為各種運(yùn)行指示燈，可以顯示三臺水泵的運(yùn)行姿態(tài)。FR1、FR2、FR3為三臺泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，可以對電機(jī)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

2.3 水泵的投切方式分析

2.3.1 開始時(shí)1號泵啟動。1號泵轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率增加而上升，當(dāng)變頻器頻率為50 Hz，水壓達(dá)到上限值時(shí)，1號泵延時(shí)一段時(shí)間切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，2號泵開始變頻啟動，如水壓仍不能滿足要求，則3號泵啟動。

2.3.2 開始時(shí)1號泵備用。若開始時(shí)1號泵備用，則直接啟動2號變頻，轉(zhuǎn)速從0開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)50 Hz，此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間后，2號泵切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由50 Hz滑停至0 Hz，3號泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動1號泵。3臺泵（假設(shè)為1號、2號和3號）同時(shí)運(yùn)行時(shí)，若總管道的出水壓力大于設(shè)定壓力，變頻器會下降，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，如果一直維持在設(shè)定的減泵下限頻率以下，15 s內(nèi)，系統(tǒng)會以先投入先切除為原則自動減泵。

3 系統(tǒng)的軟件組成

系統(tǒng)采用的是德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列、型號為CPU224的PLC，如圖4所示。

3.1 CPU224 PLC規(guī)格參數(shù)

CPU224 PLC的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

3.2 系統(tǒng)的PLC接線圖

圖5為系統(tǒng)的PLC接線圖，有五路輸入信號：R01、R02兩路模擬量輸入為變頻調(diào)速器的兩個(gè)可編程繼電器的輸出，P1、P2、P3分別為水池高、中、低的水位信號。當(dāng)水池水位達(dá)到高水位時(shí)，進(jìn)水電磁閥關(guān)閉;當(dāng)水位達(dá)到中水位時(shí)，進(jìn)水閥打開;當(dāng)水位達(dá)低水位時(shí)，水泵停止工作。有9路輸出信號：Q0.0～Q0.5分別控制KM1～KM6接觸器的工作，Q0.6控制進(jìn)水電磁閥的開關(guān)，Q0.7控制缺水信號。DI1、DI2分別控制變頻器的運(yùn)行和停止。

3.3 西門子CPU224 PLC編程軟件

CPU224 PLC采用西門子公司的STEP7 MicroWIN SP6 V4.0編程軟件，此軟件具有編程方便、畫面布局清晰、聯(lián)機(jī)調(diào)試功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

4 系統(tǒng)的運(yùn)用價(jià)值

本系統(tǒng)操投入運(yùn)行以來，學(xué)校供水系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，調(diào)整方便，供水質(zhì)量顯著提高。用水高峰期，住高樓層的學(xué)生用水問題得到很好的解決，用水低谷期，節(jié)能降耗效果較好，據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)測算，噸水單耗省電達(dá)20%。因此，變頻調(diào)速技術(shù)非常具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周萬珍，高鴻賓.PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]原魁，劉偉強(qiáng).變頻器基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005.

[3]三菱電機(jī)株式會社.變頻調(diào)速器使用手冊[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1992.