一拖二模式的变频调速恒压供水系统设计

詹庄春

(华南农业大学珠江学院信息工程系， 广东 广州 510900)

一拖二模式的变频调速恒压供水系统设计

詹庄春

(华南农业大学珠江学院信息工程系， 广东 广州 510900)

变频调速恒压供水的目的是在保证安全稳定用水的前提下，还能节约用电，避免水资源的浪费.通过分析和比较，确定了系统设计方案.依据系统方案构建硬件，画出了其电气接线详图.绘制了在自动模式下的泵机控制流程，指出了几个关键的控制环节.在MELSOFT环境下编制程序，制作画面，以及触屏仿真.一拖二模式结构简单，容易实现，经测试，系统运行性能良好.

PLC；变频调速；一拖二；MELSOFT；恒压供水

一般生产生活用水，例如高楼居民生活用水必需管网具有一定的水压力.为了保证管网有水压，以往采用抽水机向高位水塔送水以及气压罐增压等方式，这些方式占地多，投资大，增压值不高，且水箱储水存在水资源的二次污染[1].如今，随着变频技术的迅速发展和广泛应用，各水厂普遍采取了单独由水泵加压的供水方式，即由电机带动水泵同轴旋转，泵机可变频调速[2]，因此实现恒压供水.泵机调速恒压供水方式省去了大量的硬件投入，但随之提出的问题也不少，例如变频技术方案的选择，泵机运行的控制方式，系统安全可靠性的提高，以及如何把握上述之间的联系，等等.经综合考虑，本文拟采用一台变频器带两台泵机，即一拖二模式，可编程控制器PLC作为核心控制器，控制泵机的投入和切换.据此构建软硬件系统，然后利用触屏仿真软件对系统进行测试.以期节能之余，还能提高恒压供水的稳定可靠性，且系统实现容易，维护管理也方便，从而节约人力、物力和财力.

1 变频调速恒压供水原理

首先，管网水压高低与泵水扬程、泵机转速、管道阻力以及用户用水流量等因素有关.由文献[3]可知，水阀全开时，管道阻力R随泵水流量的平方而变化，泵机转速一定时，泵水扬程H随用水流量Q的平方而反向变化，其中的关系曲线示意图如图1所示.图1中，静压h与管网自然高度有关，随着水阀的关闭，管阻增加，随着泵机转速下降，泵水扬程下降，同时可以看到，水泵工作在①点.随着用水量减少，恒速水泵工作点转移至②，由于泵水流量与泵机转速成正比，为了满足同样的用水需求，变速泵可工作在③点.两相对比，恒速泵提供多余的扬程被关闭的水阀挡了回来，因泵机功耗与泵机转速的三次方成正比，故变速泵可节能.

其次，泵水流量应与用水流量持平，否则管网水压将会产生动态偏差，形成水锤效应，进而影响出水流量的稳定性，因此提出恒压供水.

最后，诸多文献(如文献[4])均提到泵机的变频调速.其原理是通过变频器采取恒压频比的方式调节泵机的供电电源频率，从而调节泵机转速.其优点是变频软启动可减轻电力对泵机的冲击损害.

图1 供水管网的H-Q曲线

另外需要指出的是，由电机学可知，泵机即感应电动机的最大效率通常发生在额定工作点附近，故泵机不适宜作深度调速.然而，当泵水扬程等于供水管网静压时，最不利工况点水压为零，实际上此处没有出水流量.故严格来讲，泵机最低转速一般不低.

2 确定供水系统方案

如何实现变频，其设计方案有如下几种.方案一，设计独立的比例积分微分即PID调节器[5]，其优点是PID参数设置简便，缺点是使系统结构复杂.方案二，由可编程控制器PLC的功能指令PID实现[6]，其优点是数据处理能力强，可在线设置PID参数，缺点是需外接模数和数模转换器两个模块，若内置模数/数模转换功能，则PLC的造价较高.方案三，变频器内置PID功能[7]，其优点是技术成熟，控制系统结构简单，缺点是PID参数需现场设定.方案四，恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，其优点是功能集成，不足之处是技术还在试用阶段.

考虑到现有大多数变频器内置的PID调节器均有参数自整定功能，故选择方案三.在满足液位的基础上，PLC接收并处理变频器频率的上下限信号，通过指令完成恒速泵即工频泵和调速泵即变频泵的运行以及两者之间的切换功能，变频调速恒压供水系统原理如图2所示.图2中，压力传感器通过检测供水管网出水口的液压，输出相应的电信号，其与给定水压信号比较，产生偏差.PID调节器对偏差进行处理后，确定供电电源频率，从而改变泵机转速，直至管道水压稳定.

图2 变频调速恒压供水系统原理框图

3 硬件设计

水泵台数较多，则其利用率偏低，一般设置三台泵比较合适，用一台变频器带二台调速泵，第三台泵作备用.三台泵并联运行，泵型相同.泵规格大小应在需求分析之后选择[8]，例如某社区居民生活用水量随昼夜变化非常大，其大致可分为高峰和低峰以及普通三个用水区段，泵机功率的选择依据是二台泵工频运行完全能够满足高峰期的供水要求.

接下来选择变频器.选择变频器容量的基本原则是泵机在运行的全过程中，变频器的额定电流应大于电动机可能出现的最大电流，变频器容量应比泵机功率加大一档[9].例如选用三菱FR-A540系列变频器，其采用先进矢量控制方式，实现在线自动调整功能，调速比可达1∶120(0.5～60Hz)，内置RS485通信口以及PID等各种功能，可适合各种应用场合.

图3 一拖二模式的变频恒压供水系统电气接线图

然后是PLC的选型.根据实际需要的输入输出I/O点数再加上预留10%～15%的点数确定PLC容量.本系统选用三菱FX2N-48MR继电器输出型PLC[10]，一拖二模式的变频调速恒压供水系统电气接线如图3所示.

图3中，KM1～KM6为电磁式继电器对应的开关，KH1～KH3为过热保护继电器对应的开关，STF为变频器控制泵机正转，压力传感器可将水压变成4～20mA变化的电流信号，其与给定水压比较后在变频器的端子1得到偏差，以此作为供电电源频率变化的依据.FUP和FDN分别为PID输出上下限幅值，送入PLC作为增泵减泵以及泵切换运行的依据.当模式切换为手动后，每台泵均可手动运行，工作泵所接的工频电源与变频电源之间均有硬件上的电气互锁，且水位低时所有泵不工作.此外还设置了超低用水量和泵过载以及变频器故障报警指示.

4 软件设计

作为核心控制器的PLC，其功能主要是对泵机的控制.在一般用水情况下，工作泵应处在四种状态中循环运行，即泵1变频泵2停止运行，泵1工频泵2变频运行，泵1停止泵2变频运行，泵1变频泵2工频运行.在自动模式下，PLC的工作流程如图4所示.

图4中，对变频上下限的判断需经过滤波延时，以消除脉冲干扰等虚假信号，其梯形图程序如图5(a)所示.泵切换指的是变频器控制对象即泵机的转移，转移期间，先断开上一台变频泵，再缓冲延时，以降低电力对下一台变频泵机的冲击，例如由泵1变频切换为泵2变频运行，其梯形图程序如图5(b)所示.当超高负荷即用水量特别多的时候，备用泵开启，限时运行后自动停止，其梯形图程序如图5(c)所示.而当用水量特别少即超低负荷的时候，变频泵在最低频率下运行还有多余扬程，则指示灯闪烁，以提示工作人员可在系统停止运行的情况下重新设置较低的变频下限值.此外，工作泵还利用软继电器设置了电气互锁.

图4 自动模式下的泵机控制程序流程

图5 恒压供水系统中几个关键环节的梯形图程序

5 系统测试

5.1 变频器参数设置

设某变频恒压供水系统，采用变频器的内置PID控制，压力传感器采集的压力信号为4～20mA，其对应压力为0～10kg，系统要求管网压力为4kg，设定值通过变频器端子2～5(0～5V)给定.则端子2的输入电压为2.0V，变频器参数设置如下：

Pr.1=50，变频上限50Hz.

Pr.2=25，变频下限25Hz.

Pr.13=10Hz，启动频率10Hz.

Pr.79=1，设置PU运行模式.

Pr.128=20，PID负作用，测量值由端子4输入，设定值由端子2设定.

Pr.129=100%，PID比例(P)范围常数100%.

Pr.130=10，PID积分(I)时间10s.

Pr.131=50，PID输出上限幅值50%.

Pr.132=30，PID输出下限幅值30%.

Pr.133=40，目标值设定为40%(4kg).

Pr.134=3，PID微分(D)时间3s.

Pr.190=14，定义FDN信号端子，即PID下限输出.

Pr.191=15，定义FUP信号端子，即PID上限输出.

Pr.79=2，切换到外部运行模式.

5.2 PLC逻辑功能测试

利用三菱编程仿真软件MELSOFT，即利用GX Developer编制PLC梯形图程序；利用GT Designer制作PLC外部I/O信号的图形显示平台；利用GT Simulator模拟PLC外部I/O信号并可通过触摸屏设定其状态和数值，从而进行仿真操作[11].

在GX Developer编程软件环境下，PLC系列选择FXCPU，PLC类型选择FX2N(C)，确保编制程序无误之后，启动梯形图逻辑测试按钮.在GT Designer画面制作软件环境下，GOT类型选择A960GOT(640×400)，PLC类型选择MELSEC-FX，然后可参考PLC电气接线图制作画面.在GT Simulator仿真软件环境下，仿真系列选择GOT-A900，载入工程画面之后，即可按泵机控制流程来操作输入点图块.经过测试PLC的逻辑功能，系统运行结果正确.

6 结束语

一拖二模式的变频器内置PID调速变流量恒压供水系统，结构简单，其程序设计容易.工作泵循环运行，可得到均匀利用，泵变频切换平稳.通过对上限幅值FUP的设置，特别在用水高峰期，备用泵也可限时运行.手动模式主要是为了系统运行检测，在消防用水时也可切换.系统通过测试，可触屏监控，具有友好的人机界面和良好的动静态运行性能，性价比较高.

[1] 罗英慧.变频调速恒压供水在建筑给水系统中的应用[J].科研生产,1995,(1):25-28.

[2] 刘宜,李会暖,刘晓阳,等.变频调速技术在水泵调节控制系统中的应用[J].排灌机械,2006,(4):44-46.

[3] 宁耀斌,明正峰,钟彦儒.变频调速恒压供水系统的原理与实现[J].西安理工大学学报,2001,(3):305-309.

[4] 吕慧芳.变频调速在恒压供水系统中的应用[J].电子信息,2010,(12):209-211.

[5] 梁栋,徐锦.基于PID控制的变频恒压供水系统设计[J].电子测试,2016,(16):149-150.

[6] 刘鑫,李鹏飞.下位机PLC和上位机组态软件在恒压供水系统中的应用[J].电气传动自动化,2016,(4):29-34.

[7] 高新陵,宋晓平.变频调速恒压供水系统研制[J].河海大学学报,2001,(1):115-118.

[8] 杨东平.变频调速恒压供水系统综述[J].南宁职业技术学院学报,2004,(3):77-80.

[9] 张燕宾.SPWM变频调速应用技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社,2011.

[10] 王阿根.电气可编程控制原理与应用(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2010.

[11] 詹庄春.MELSOFT环境下船用辅锅炉的燃烧控制[J].宜宾学院学报,2015,(6):32-35.

(责任编校：晴川)

System Design of Constant Pressure Water Supply with an Inverter Dragging Two Pumps

ZHAN Zhuangchun

(Department of Information Engineering, Zhujiang Institute of South China Agricultural University,Guangzhou Guangdong 510900, China)

The purpose of constant pressure water supply with inverter is to save electricity and avoid the waste of water resources on the premise of security and stability of water supply. Through analysis and comparison, the system design scheme is determined. Hardware electrical wiring is constructed on the basis of system scheme. Pump control process of automatic mode is mapped and several key control links are pointed out. Under the environment of MELSOFT, program is compiled, the picture has been made and touch screen simulation has been realized. The structure of an inverter dragging two pumps is simple and the system implements easily. Through the test, the system performance is good.

PLC; VVVF; one drag two; MELSOFT; constant pressure water supply

2016-10-19

詹庄春(1978— )，男，江西鄱阳人，华南农业大学珠江学院信息工程系讲师，南昌大学信息工程学院硕士生.研究方向：电气自动化.

TP23

A

1008-4681(2017)02-0026-04