變頻器和PLC變頻恒壓供水系統對高樓給水的影響力

1 引言

　　隨著(zhù)各住宅小區的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應的生活用水量也大幅度增加。人們對進(jìn)步供水質(zhì)量的要求越來(lái)越高，另外人們的節能意識及對運行的可靠性的要求越來(lái)越強。采用變頻器及PLC技術(shù)實(shí)現的變頻恒壓供水系統，不僅能進(jìn)步供水質(zhì)量，而且在節約能源和運行可靠性具有較好的改善。其中，采用變頻調速的主要目的是通過(guò)調速來(lái)恒定用水管道的壓力以達到節能的目的，恒壓供水則是為了滿(mǎn)足用戶(hù)對流量的要求。

　　變頻恒壓給水系統應用PLC技術(shù)是為了實(shí)現系統的軟啟動(dòng)，減少手動(dòng)操縱或撫慰操縱，同時(shí)替換部分繼電器減少機械觸點(diǎn)的故障，增強可靠性。下面筆者根據這方面的工作經(jīng)驗談?wù)勗诤銐汗┧到y設計和實(shí)踐過(guò)程中的一些思路和做法。

2 PLC變頻恒壓供水系統中變頻器的工作原理

　　在恒壓供水控制系統中，關(guān)鍵技術(shù)主要是變頻技術(shù)。目前效率最高、性能最好的系統是變壓變頻調速控制系統。

2．1變頻器的基本構成

　　變頻器的基本構成如圖1所示，由主回路（包括整流器、濾波器、逆變器）和控制電路組成。

　　整流器的作用是把三相交流整流成直流。濾波器是用來(lái)緩沖直流環(huán)節和負載之間的無(wú)功能量。逆變器最常見(jiàn)的結構形式是利用六個(gè)半導體器件開(kāi)關(guān)組成的三相橋式逆變電路，有規律地控制逆變器中主開(kāi)關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。

　　控制電路主要是完成對逆變器的開(kāi)關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。

2．2變頻器基本原理

　　變頻器的基本原理是利用逆變器中的開(kāi)關(guān)元件，由控制電路按一定的規律控制開(kāi)關(guān)元件的通斷，從而在逆變器的輸出端獲得一系列等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來(lái)近似等效于正弦電壓波。圖2所示出正弦波的正半周，并將其分為n等分（n=12）。每一等分的正弦曲線(xiàn)與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等幅矩形所代替。這樣，由n個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形與正弦波的正半周等效。

　　正弦波的負半周也可以用相同的方法來(lái)等效?？刹捎谜也ㄅc三角波相交的方案來(lái)確定各分段矩形脈沖的寬度。當逆變器輸出端需要升高電壓時(shí)，只要增大正弦波相對三角波的幅值，這時(shí)逆變器的輸出的矩形脈沖幅值不變而寬度相應增大，達到了調壓的要求。當逆變器的輸出端需要變頻時(shí)，只要改變正弦波的頻率就可以了。

3 PLC變頻恒壓供水系統控制系統總體設計

　　過(guò)往的供水控制系統投資多，采用的模式為多臺小功率水泵供水。在運行實(shí)踐中暴露出主控電路設計不公道和邏輯控制設計不公道的現象。

　　新系統總體設計方案如圖3所示。在該供水系統的控制電路中除采用了變頻器（VVVF），還采用一些先進(jìn)控制裝置如數字調節器（PID）、可編程控制器（PLC）等，這些裝置都是以電腦芯片為內核完成各自不同的控制功能。

　　為簡(jiǎn)化控制電路，根據負荷需要，使用一臺18．5KW大容量水泵供水。為進(jìn)步使用的安全系數，選用一臺日本富士22．5KW變頻器進(jìn)行水泵調速，該變頻器內置PID調節功能，但不具備參數監視功能。為能有效監視調節工況，特選數字顯示調節器進(jìn)行監視和控制，以備實(shí)現串級PID控制。鑒于外部I／O可控點(diǎn)數未幾，可編程控制器PLC選用20點(diǎn)即可滿(mǎn)足控制要求。

4 PLC變頻恒壓供水系統水位檢測電路設計

4．1水位檢測開(kāi)關(guān)

　　考慮到水位檢測裝置要求故障率少，運行可靠，為簡(jiǎn)化檢測環(huán)節，設計中采用結構簡(jiǎn)單的浮子式水位檢測開(kāi)關(guān)，但為防止信號串擾，另外增加了一個(gè)隔離轉換裝置。該裝置內選用了干簧繼電器用以進(jìn)步開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的可靠性和使用壽命。

4．2水位檢測邏輯控制

　　水位檢測邏輯控制功能如前所述完全由可編程控制器PLc編程實(shí)現，減少了硬件配置，進(jìn)步了運行的可靠性和應用的靈活性。PLC的I／O地址分配見(jiàn)圖4（a）所示，簡(jiǎn)化梯形圖如圖4（b）所示。其邏輯電路主要完成如下功能，見(jiàn)圖4（b）所示。

　?。?）水位信號保持功能水位開(kāi)關(guān)檢測分別由PLC的常開(kāi)接點(diǎn)實(shí)現。由于水位由于簧管的常開(kāi)接點(diǎn)來(lái)檢測，只有在水面越過(guò)該點(diǎn)時(shí)閉合，低于該點(diǎn)即斷開(kāi)，因此信號需由PLC保持。

　?。?）水位信號顯示、報警、保護功能水位正常時(shí)01002動(dòng)作，使輸出綠燈亮。水位低時(shí)01003動(dòng)作，使輸出紅燈亮，且通過(guò)其常閉接點(diǎn)停供水泵。水位高時(shí)20000、01000同時(shí)啟動(dòng)，使輸出黃燈亮（閃光l5秒轉平光）且無(wú)條件停蓄水泵。

5 PLC變頻恒壓供水系統操縱保護功能設計

　　除了常規保護功能外還增加了人性化操縱功能?？紤]到泵短時(shí)間內的頻繁啟動(dòng)對泵運行不利，故設置1分鐘內只答應連續啟動(dòng)兩次，第三次需延時(shí)3分鐘后進(jìn)行，以利泵的散熱，延長(cháng)設備使用壽命，減少功耗。編程時(shí)可采用定時(shí)器和計數器配合來(lái)實(shí)現。這項功能在啟停調試設備過(guò)程中得到檢驗。

6  PLC變頻恒壓供水系統自啟動(dòng)功能設計

（1）自啟動(dòng)概述

　　為了方便運行維護職員，有兩種情況可以考慮自啟動(dòng)：

　?、傧到y斷電一段時(shí)間后恢復供電的自啟動(dòng)，系統在正常運行工況下忽然停電時(shí)，假如其它檢測無(wú)異常則來(lái)電后可實(shí)現自啟動(dòng)，這一點(diǎn)在夜間更為重要，可給維護職員帶來(lái)方便，此項功能得到了維護職員的認可。

　?、诘退皇贡锰l后水位恢復時(shí)的自啟動(dòng)管網(wǎng)用水負荷過(guò)大或蓄水水壓過(guò)低流量減少造成的低水位，會(huì )引起供水泵跳閘。在水位恢復正常后可實(shí)現自啟動(dòng)。

（2）自啟功能的實(shí)現

　　“自啟動(dòng)條件”有兩個(gè)：一是計數器C103接點(diǎn)，二是“水位正?！毙盘柦狱c(diǎn)。由于計數器C103具有停電記憶特性，所以只要水位恢復正常時(shí)01002閉合就可自啟動(dòng)。其過(guò)程是：微分繼電器20006（13）產(chǎn)生的微分信號由20009繼電器保持，再經(jīng)時(shí)間繼電器"1"020延時(shí)后使其輸出的常開(kāi)接點(diǎn)"1"020（見(jiàn)圖4b）接通啟動(dòng)回路，則水泵重新運轉。

（3）自啟動(dòng)的預置

　　自啟動(dòng)功能可根據用戶(hù)需要事先預置，否則，該功能會(huì )被屏蔽。設計方案如下：

　?、兕A置和解除均借用運行狀態(tài)下的啟動(dòng)按鈕。預置時(shí)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕三下使計數器C103啟動(dòng)，則其常開(kāi)接點(diǎn)C103閉合。解除自啟功能：按住啟動(dòng)按鈕1秒，使計數器C103復位或按停止按鈕使泵停運的同時(shí)也解除了自啟動(dòng)設置。

　?、陬A置的顯示借用水位正常燈（閃光3秒），解除借用高水位報警燈（閃光3秒）。

7 結束語(yǔ)

　　上述PLC變頻恒壓供水控制系統經(jīng)投進(jìn)使用，各項設計功能運行正常，供水質(zhì)量有了很大進(jìn)步，單位大功率設備用電量也明顯減少。期間，還經(jīng)歷了系統實(shí)際異常情況自動(dòng)處理的考驗，如“儲水罐滿(mǎn)水后的蓄水泵自動(dòng)跳閘”、“電力網(wǎng)停電來(lái)電后的供水泵自啟動(dòng)”、“電源缺相報警”等，這些功能都得到了很好的驗證。