變頻器和PLC變頻恒壓供水系統對高樓給水的影響力
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。人們對進步供水質量的要求越來越高，另外人們的節能意識及對運行的可靠性的要求越來越強。采用變頻器及PLC技術實現的變頻恒壓供水系統，不僅能進步供水質量，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調速來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足用戶對流量的要求。
變頻恒壓給水系統應用PLC技術是為了實現系統的軟啟動，減少手動操縱或撫慰操縱，同時替換部分繼電器減少機械觸點的故障，增強可靠性。下面筆者根據這方面的工作經驗談談在恒壓供水系統設計和實踐過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，關鍵技術主要是變頻技術。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。濾波器是用來緩沖直流環節和負載之間的無功能量。逆變器最常見的結構形式是利用六個半導體器件開關組成的三相橋式逆變電路，有規律地控制逆變器中主開關的通與斷，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關控制、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關元件，由控制電路按一定的規律控制開關元件的通斷，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與此面積相等的等幅矩形所代替。這樣，由n個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。當逆變器輸出端需要升高電壓時，只要增大正弦波相對三角波的幅值，這時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，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。為進步使用的安全系數，選用一臺日本富士22．5KW變頻器進行水泵調速，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行監視和控制，以備實現串級PID控制。鑒于外部I／O可控點數未幾，可編程控制器PLC選用20點即可滿足控制要求。
4 PLC變頻恒壓供水系統水位檢測電路設計
4．1水位檢測開關
考慮到水位檢測裝置要求故障率少，運行可靠，為簡化檢測環節，設計中采用結構簡單的浮子式水位檢測開關，但為防止信號串擾，另外增加了一個隔離轉換裝置。該裝置內選用了干簧繼電器用以進步開關接點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編程實現，減少了硬件配置，進步了運行的可靠性和應用的靈活性。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）水位信號保持功能水位開關檢測分別由PLC的常開接點實現。由于水位由于簧管的常開接點來檢測，只有在水面越過該點時閉合，低于該點即斷開，因此信號需由PLC保持。
（2）水位信號顯示、報警、保護功能水位正常時01002動作，使輸出綠燈亮。水位低時01003動作，使輸出紅燈亮，且通過其常閉接點停供水泵。水位高時20000、01000同時啟動，使輸出黃燈亮（閃光l5秒轉平光）且無條件停蓄水泵。
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。考慮到泵短時間內的頻繁啟動對泵運行不利，故設置1分鐘內只答應連續啟動兩次，第三次需延時3分鐘后進行，以利泵的散熱，延長設備使用壽命，減少功耗。編程時可采用定時器和計數器配合來實現。這項功能在啟停調試設備過程中得到檢驗。
6 PLC變頻恒壓供水系統自啟動功能設計
（1）自啟動概述
為了方便運行維護職員，有兩種情況可以考慮自啟動：
①系統斷電一段時間后恢復供電的自啟動，系統在正常運行工況下忽然停電時，假如其它檢測無異常則來電后可實現自啟動，這一點在夜間更為重要，可給維護職員帶來方便，此項功能得到了維護職員的認可。
②低水位使泵跳閘后水位恢復時的自啟動管網用水負荷過大或蓄水水壓過低流量減少造成的低水位，會引起供水泵跳閘。在水位恢復正常后可實現自啟動。
（2）自啟功能的實現
“自啟動條件”有兩個：一是計數器C103接點，二是“水位正常”信號接點。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01002閉合就可自啟動。其過程是：微分繼電器20006（13）產生的微分信號由20009繼電器保持，再經時間繼電器"1"020延時后使其輸出的常開接點"1"020（見圖4b）接通啟動回路，則水泵重新運轉。
（3）自啟動的預置
自啟動功能可根據用戶需要事先預置，否則，該功能會被屏蔽。設計方案如下：
①預置和解除均借用運行狀態下的啟動按鈕。預置時按動啟動按鈕三下使計數器C103啟動，則其常開接點C103閉合。解除自啟功能：按住啟動按鈕1秒，使計數器C103復位或按停止按鈕使泵停運的同時也解除了自啟動設置。
②預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
上述PLC變頻恒壓供水控制系統經投進使用，各項設計功能運行正常，供水質量有了很大進步，單位大功率設備用電量也明顯減少。期間，還經歷了系統實際異常情況自動處理的考驗，如“儲水罐滿水后的蓄水泵自動跳閘”、“電力網停電來電后的供水泵自啟動”、“電源缺相報警”等，這些功能都得到了很好的驗證。
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