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變頻器和PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)對(duì)高樓給水的影響力

1 引言

　　隨著各住宅小區(qū)的宿舍樓等一座座高樓拔地而起，相應(yīng)的生活用水量也大幅度增加。人們對(duì)進(jìn)步供水質(zhì)量的要求越來越高，另外人們的節(jié)能意識(shí)及對(duì)運(yùn)行的可靠性的要求越來越強(qiáng)。采用變頻器及PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的變頻恒壓供水系統(tǒng)，不僅能進(jìn)步供水質(zhì)量，而且在節(jié)約能源和運(yùn)行可靠性具有較好的改善。其中，采用變頻調(diào)速的主要目的是通過調(diào)速來恒定用水管道的壓力以達(dá)到節(jié)能的目的，恒壓供水則是為了滿足用戶對(duì)流量的要求。

　　變頻恒壓給水系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(jī)械觸點(diǎn)的故障，增強(qiáng)可靠性。下面筆者根據(jù)這方面的工作經(jīng)驗(yàn)談?wù)勗诤銐汗┧到y(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐過程中的一些思路和做法。

2 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)中變頻器的工作原理

　　在恒壓供水控制系統(tǒng)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(tǒng)是變壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

2．1變頻器的基本構(gòu)成

　　變頻器的基本構(gòu)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。濾波器是用來緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的無功能量。逆變器最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體器件開關(guān)組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律地控制逆變器中主開關(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(duì)逆變器的開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)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關(guān)元件，由控制電路按一定的規(guī)律控制開關(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(fù)半周也可以用相同的方法來等效。可采用正弦波與三角波相交的方案來確定各分段矩形脈沖的寬度。當(dāng)逆變器輸出端需要升高電壓時(shí)，只要增大正弦波相對(duì)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(yīng)增大，達(dá)到了調(diào)壓的要求。當(dāng)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(tǒng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　過往的供水控制系統(tǒng)投資多，采用的模式為多臺(tái)小功率水泵供水。在運(yùn)行實(shí)踐中暴露出主控電路設(shè)計(jì)不公道和邏輯控制設(shè)計(jì)不公道的現(xiàn)象。

　　新系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。在該供水系統(tǒng)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(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）、可編程控制器（PLC）等，這些裝置都是以電腦芯片為內(nèi)核完成各自不同的控制功能。

　　為簡化控制電路，根據(jù)負(fù)荷需要，使用一臺(tái)18．5KW大容量水泵供水。為進(jìn)步使用的安全系數(shù)，選用一臺(tái)日本富士22．5KW變頻器進(jìn)行水泵調(diào)速，該變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)功能，但不具備參數(shù)監(jiān)視功能。為能有效監(jiān)視調(diào)節(jié)工況，特選數(shù)字顯示調(diào)節(jié)器進(jìn)行監(jiān)視和控制，以備實(shí)現(xiàn)串級(jí)PID控制。鑒于外部I／O可控點(diǎn)數(shù)未幾，可編程控制器PLC選用20點(diǎn)即可滿足控制要求。

4 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

4．1水位檢測(cè)開關(guān)

　　考慮到水位檢測(cè)裝置要求故障率少，運(yùn)行可靠，為簡化檢測(cè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)簡單的浮子式水位檢測(cè)開關(guān)，但為防止信號(hào)串?dāng)_，另外增加了一個(gè)隔離轉(zhuǎn)換裝置。該裝置內(nèi)選用了干簧繼電器用以進(jìn)步開關(guān)接點(diǎn)的可靠性和使用壽命。

4．2水位檢測(cè)邏輯控制

　　水位檢測(cè)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(xiàn)，減少了硬件配置，進(jìn)步了運(yùn)行的可靠性和應(yīng)用的靈活性。PLC的I／O地址分配見圖4（a）所示，簡化梯形圖如圖4（b）所示。其邏輯電路主要完成如下功能，見圖4（b）所示。

　　（1）水位信號(hào)保持功能水位開關(guān)檢測(cè)分別由PLC的常開接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。由于水位由于簧管的常開接點(diǎn)來檢測(cè)，只有在水面越過該點(diǎn)時(shí)閉合，低于該點(diǎn)即斷開，因此信號(hào)需由PLC保持。

　　（2）水位信號(hào)顯示、報(bào)警、保護(hù)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(zhuǎn)平光）且無條件停蓄水泵。

5 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)操縱保護(hù)功能設(shè)計(jì)

　　除了常規(guī)保護(hù)功能外還增加了人性化操縱功能。考慮到泵短時(shí)間內(nèi)的頻繁啟動(dòng)對(duì)泵運(yùn)行不利，故設(shè)置1分鐘內(nèi)只答應(yīng)連續(xù)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，延長設(shè)備使用壽命，減少功耗。編程時(shí)可采用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器配合來實(shí)現(xiàn)。這項(xiàng)功能在啟停調(diào)試設(shè)備過程中得到檢驗(yàn)。

6  PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)自啟動(dòng)功能設(shè)計(jì)

（1）自啟動(dòng)概述

　　為了方便運(yùn)行維護(hù)職員，有兩種情況可以考慮自啟動(dòng)：

　　①系統(tǒng)斷電一段時(shí)間后恢復(fù)供電的自啟動(dòng)，系統(tǒng)在正常運(yùn)行工況下忽然停電時(shí)，假如其它檢測(cè)無異常則來電后可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，這一點(diǎn)在夜間更為重要，可給維護(hù)職員帶來方便，此項(xiàng)功能得到了維護(hù)職員的認(rèn)可。

　　②低水位使泵跳閘后水位恢復(fù)時(shí)的自啟動(dòng)管網(wǎng)用水負(fù)荷過大或蓄水水壓過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(fù)正常后可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。

（2）自啟功能的實(shí)現(xiàn)

　　“自啟動(dòng)條件”有兩個(gè)：一是計(jì)數(shù)器C103接點(diǎn)，二是“水位正常”信號(hào)接點(diǎn)。由于計(jì)數(shù)器C103具有停電記憶特性，所以只要水位恢復(fù)正常時(shí)01002閉合就可自啟動(dòng)。其過程是：微分繼電器20006（13）產(chǎn)生的微分信號(hào)由20009繼電器保持，再經(jīng)時(shí)間繼電器"1"020延時(shí)后使其輸出的常開接點(diǎn)"1"020（見圖4b）接通啟動(dòng)回路，則水泵重新運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）自啟動(dòng)的預(yù)置

　　自啟動(dòng)功能可根據(jù)用戶需要事先預(yù)置，否則，該功能會(huì)被屏蔽。設(shè)計(jì)方案如下：

　　①預(yù)置和解除均借用運(yùn)行狀態(tài)下的啟動(dòng)按鈕。預(yù)置時(shí)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕三下使計(jì)數(shù)器C103啟動(dòng)，則其常開接點(diǎn)C103閉合。解除自啟功能：按住啟動(dòng)按鈕1秒，使計(jì)數(shù)器C103復(fù)位或按停止按鈕使泵停運(yùn)的同時(shí)也解除了自啟動(dòng)設(shè)置。

　　②預(yù)置的顯示借用水位正常燈（閃光3秒），解除借用高水位報(bào)警燈（閃光3秒）。

7 結(jié)束語

　　上述PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)經(jīng)投進(jìn)使用，各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能運(yùn)行正常，供水質(zhì)量有了很大進(jìn)步，單位大功率設(shè)備用電量也明顯減少。期間，還經(jīng)歷了系統(tǒng)實(shí)際異常情況自動(dòng)處理的考驗(yàn)，如“儲(chǔ)水罐滿水后的蓄水泵自動(dòng)跳閘”、“電力網(wǎng)停電來電后的供水泵自啟動(dòng)”、“電源缺相報(bào)警”等，這些功能都得到了很好的驗(yàn)證。