變頻器在高壓給水設(shè)備恒壓供水中的應(yīng)用
變頻器在高壓給水設(shè)備恒壓供水中的應(yīng)用
1 引言
高壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而 主要的缺點是水壓不能保持恒定，導(dǎo)致部分設(shè)備不能正常工作。高壓給水設(shè)備變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)，它以其 優(yōu)良的控制性能被廣泛應(yīng)用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特別 需要，對恒壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用。高壓給水設(shè)備恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運(yùn)行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高，在高壓給水設(shè)備供水中可完成以下功能：
（1）維持水壓恒定；
（2）控制系統(tǒng)可手動/自動運(yùn)行；
（3）多臺泵自動切換運(yùn)行；
（4）系統(tǒng)睡眠與喚醒。當(dāng)外界停止用水時，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時自動喚醒；
（5）在線調(diào)整PID參數(shù)；
（6）泵組及線路保護(hù)檢測報警，信號顯示等。
將管網(wǎng)的實際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進(jìn)行比較，當(dāng)管網(wǎng)壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。
2 高壓給水設(shè)備系統(tǒng)硬件構(gòu)成
高壓給水設(shè)備系統(tǒng)采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實現(xiàn)所需功能。
安裝在管網(wǎng)干線上的壓力傳感器，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。
變頻器是水泵電機(jī)的控制設(shè)備，能按照水壓恒定需要將0～50 Hz的頻率信號供給水泵電機(jī)，調(diào)整其轉(zhuǎn)速。ACS變頻器功能強(qiáng)大，預(yù)置了多種應(yīng)用宏，即預(yù)先編置好的參數(shù)集，應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)定的參數(shù)數(shù)量減小到較小，參數(shù)的缺省值依應(yīng)用宏的選擇而不同。系統(tǒng)采用PID控制的應(yīng)用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制。該宏提供了6個輸入信號：啟動/停止（DI1、DI5）、模擬量給定（AI1）、實際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）、恒速（DI3）、允許運(yùn)行（DI4）；3個輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運(yùn)行）；DIP開關(guān)選擇輸入0～10 V電壓值或0～20 mA電流值（系統(tǒng)采用電流值）。變頻器根據(jù)給定值A(chǔ)I1和實際值A(chǔ)I2，即根據(jù)恒壓時對應(yīng)的電壓設(shè)定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動調(diào)節(jié)，改變頻率輸出值來調(diào)節(jié)所控制的水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。
根據(jù)泵站供水實際情況與需求，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速外，還要通過增減運(yùn)行泵的臺數(shù)來維持水壓恒定，當(dāng)運(yùn)行泵滿工頻抽水仍達(dá)不到恒壓要求時，要投入下一臺泵運(yùn)行。反之，當(dāng)變頻器輸出頻率降至較小，壓力仍過高時，要切除一臺運(yùn)行泵。所以不僅需要開關(guān)量控制，還需數(shù)據(jù)處理能力，采用FX－4AD（4模擬量入）獲得模擬量信號。它在應(yīng)用上的一個重要特征就是由PLC自動采樣，隨時將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，放在數(shù)據(jù)寄存器中，由數(shù)據(jù)處理指令調(diào)用，并將計算結(jié)果隨時放在指定的數(shù)據(jù)接觸器中。通過其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給PLC[1>，與恒壓對應(yīng)電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到水泵電機(jī)在低速運(yùn)行時危險， 須保證其頻率不低于 20Hz，因此頻率上限設(shè)為工頻50Hz，下限設(shè)為20Hz）進(jìn)行比較，實現(xiàn)泵的切換與轉(zhuǎn)速的變化。
高壓給水設(shè)備系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過程盡可能快，以保證供水的連續(xù)性，水壓波動盡可能小，從而提高供水質(zhì)量。但元件動作過程太快，會有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生，硬件上 須設(shè)置閉鎖保護(hù)，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時閉合。
3 高壓給水設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對3臺泵進(jìn)行控制的程序。它對3臺泵的控制，主要解決 系統(tǒng)的手動及自動切換、各元件和參數(shù)的初始化、信號及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理、3臺泵的啟動、切換及停止的條件、順序、過程等問題。
當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到頻率上限，供水壓力未達(dá)到預(yù)設(shè)值時，發(fā)出加泵信號，投入下1臺泵供水。當(dāng)供水壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時，發(fā)出減泵信號，切除在工頻運(yùn)行方式中的1臺泵。系統(tǒng)剛啟動時，情況簡單，首先啟動一號泵即可。但考慮3 臺泵聯(lián)合運(yùn)行時情況復(fù)雜，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動方式下運(yùn)行，而其他泵則可能在變頻器控制下運(yùn)行，因此 須預(yù)先設(shè)定增減水泵的順序。即獲得加泵信號后，按照1號泵、2號泵、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后，按照3號泵、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮。
為了防止故障的發(fā)生，軟件上也 須設(shè)置保護(hù)程序，保證1Q與4Q、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時閉合。在加減泵時 須設(shè)置元件動作順序及延時，防止誤動作發(fā)生。
考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對運(yùn)行狀態(tài)的影響，在設(shè)計中采用硬件、軟件上的雙重濾波來消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時間常數(shù)，當(dāng)模擬輸入信號變化時，63％的變化發(fā)生在所定義的時間常數(shù)中；軟件上采用數(shù)字濾波的方式，系統(tǒng)采用平均值的方法[2>。
4 高壓給水設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)的確定
系統(tǒng)變頻運(yùn)行主要靠變頻器來實現(xiàn)。變頻器有一數(shù)量很大的參數(shù)群，初始情況下，只有所謂的基本參數(shù)可以看到。只需設(shè)定簡單的幾個參數(shù)，變頻器就可以工作。
除基本參數(shù)外，還 須對完整參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。
完整參數(shù)的設(shè)定主要是PID參數(shù)的整定，它是按照工藝對控制性能的要求，決定調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp，TI，TD。
變頻器根據(jù)偏差調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統(tǒng)達(dá)到一個動態(tài)平衡，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)[3、4>。
5 試驗結(jié)果
由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能，可以對系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)測。考慮到管網(wǎng)覆蓋面積大，泵站海拔高度相對低，遠(yuǎn)端供水壓力需維持3kg，因此泵站出水口壓力 須維持5kg。試驗條件為管網(wǎng)初始無壓力，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動系統(tǒng)。獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB進(jìn)行插值擬合可得系統(tǒng)在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線。
試驗記錄的數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)在未進(jìn)行濾波和PID控制時，響應(yīng)速度特別慢、誤差大、振蕩嚴(yán)重。在未進(jìn)行濾波而引入數(shù)字PID控制時，響應(yīng)速度明顯加快，但振蕩問題未能得到解決，這是由于喘振現(xiàn)象的存在；當(dāng)管道壓力與設(shè)定值近似相當(dāng)時，水錘效應(yīng)影響明顯，壓力波動異常，PID的參數(shù)跟蹤整定，形成惡性循環(huán)，管道中空氣的存在也會導(dǎo)致振蕩問題。
該系統(tǒng)是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設(shè)計的，實現(xiàn)了預(yù)定的一系列功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全性，在長時間運(yùn)行中取得了良好的效果。只需作相應(yīng)修改就可推廣到相關(guān)供水系統(tǒng)中。
高壓供水設(shè)備介紹
高壓供水設(shè)備是長沙中贏供水公司技術(shù)部科研人員新進(jìn)研制的無負(fù)壓變頻調(diào)速給水設(shè)備，系為解決傳統(tǒng)生活供水系統(tǒng)中，水泵的直接接入自來水管網(wǎng)產(chǎn)生的負(fù)壓問題而開發(fā)的，型號為中贏系列無負(fù)壓變頻給水設(shè)備（管網(wǎng)調(diào)節(jié)增壓設(shè)備）。該產(chǎn)品不但解決了地下水池的二次污染問題，還可以和純凈水設(shè)備配套，直接作為飲用水的增壓設(shè)備，可以在任何一個需要管網(wǎng)增壓的供水系統(tǒng)中使用。該系列產(chǎn)品獲得多項實用新型國家專利。
高壓供水設(shè)備特點
1、 節(jié)電節(jié)水
高壓供水設(shè)備采用變頻進(jìn)行軟起動，避免了電流沖擊。同時是因?qū)崿F(xiàn)恒壓控制，也避免了對管網(wǎng)的沖擊，延長了管路及閥門的壽命。傳統(tǒng)的水池二次加壓供水方式將自來水放入水池，使原有的自來水稀放為零，浪費(fèi)了自來水的原有壓力能。
該設(shè)備利用調(diào)節(jié)裝置與自來水管網(wǎng)聯(lián)接可充分利用管網(wǎng)的壓力能，節(jié)電可達(dá)到50%~90%。
2、 消除了地下水池的二次污染
傳統(tǒng)的水池二次加壓供水方式將自來水放入水池，水池的水易于被贓物甚至動物尸體所污染，尤其在夏天易產(chǎn)生藻類或滋生蚊蟲，直接影響到用戶的身體健康。該設(shè)備利用調(diào)節(jié)裝置采用封閉式供水方式，消除了二次污染。
3、 節(jié)省投資，減少占地，安裝、使用、檢修方便
建造水池，工程總投資大，并且使用過程中要定期清洗，不但增加了工程的總投資，還增加了日常的維護(hù)費(fèi)用。該設(shè)備利用調(diào)節(jié)裝置供水，節(jié)省投資，減少占地，根據(jù)用戶的現(xiàn)場情況可以采用立式或臥式不同的安裝方式，檢修方便。
4、 采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，恒壓精度高，水壓波動小。
5、 具有過載，短路，過流等各種自動保護(hù)功能。
6、 自動化程度高，運(yùn)行可靠，管理方便。
高壓供水設(shè)備工作原理
1、 微機(jī)設(shè)定給水泵工作壓力，即用戶用水壓力。生活給水時，設(shè)備運(yùn)行在低壓變頻狀態(tài)，由變頻器時刻監(jiān)控管網(wǎng)壓力，對反饋值和設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算和比較計算，若網(wǎng)管壓力高于用戶所需壓力（設(shè)定壓力）則自動減少輸出頻率，從而使泵的轉(zhuǎn)速減少，出水量減少。若管網(wǎng)壓力低于用戶所需壓力（設(shè)定壓力）則自動增加輸出頻率。從而使泵的轉(zhuǎn)速增加，出水量增加，當(dāng)一臺泵運(yùn)行滿足不了用戶需要時，其它各臺泵自動投入，以保證用戶的使用壓力。
2、 當(dāng)自來水管網(wǎng)的壓力升高到達(dá)與用戶使用壓力時候，變頻器經(jīng)過一段延時后便降低轉(zhuǎn)速直到停機(jī)，只有當(dāng)壓力降到某一設(shè)定壓力值時，變頻器才重新開始工作。變頻泵組的工作只是滿足用戶的用水壓力與管網(wǎng)壓力之差，大大節(jié)約了電能。
3、 當(dāng)流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力低于一個大氣壓時，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動打開，使氣體進(jìn)入流量調(diào)節(jié)器內(nèi)，消除負(fù)壓。當(dāng)流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力升高時，又可以將多余的氣體排出流量調(diào)節(jié)器外，使流量調(diào)節(jié)器內(nèi)蓄滿水，以備下次用水高峰期時使用。當(dāng)流量調(diào)節(jié)器內(nèi)蓄滿水后，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動關(guān)閉，防止溢流。
高壓供水設(shè)備工作過程
1、 管網(wǎng)壓力高于或等于用戶壓力時 當(dāng)自來水壓力高于用戶使用壓力時，旁路止回閥導(dǎo)通，由自來水直接供給用戶用水。 用戶壓力高于或等于設(shè)定壓力，變頻設(shè)備不運(yùn)行，水泵處于停機(jī)狀態(tài)。
2、 管網(wǎng)壓力低于用戶壓力時 變頻設(shè)備開始運(yùn)行，水泵處于開始運(yùn)轉(zhuǎn)。
A、 管網(wǎng)流量大于等于用戶用水量時
若流量調(diào)節(jié)器內(nèi)有空氣則壓力升高，又可以將多余的氣體排出流量調(diào)節(jié)器外。使流量調(diào)節(jié)器內(nèi)蓄滿水以備下次用水高峰期時使用。當(dāng)流量調(diào)節(jié)器內(nèi)蓄滿水后，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動關(guān)閉，防止溢流。流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力恢復(fù)至自來水管網(wǎng)壓力。 若流量調(diào)節(jié)器內(nèi)沒有空氣，流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力保持自來水管網(wǎng)壓力。 水泵提升壓力為用戶用水壓力—管網(wǎng)壓力
B、 管網(wǎng)流量小于用戶用水量時
流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力降低，當(dāng)流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力低于一個大氣壓時，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動打開，使氣體進(jìn)入流量調(diào)節(jié)器內(nèi)，消除負(fù)壓。流量調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力降為零。流量調(diào)節(jié)器內(nèi)的水與自來水的流入水共同提供給用戶用水。流量調(diào)節(jié)器內(nèi)儲備水補(bǔ)償?shù)氖怯脩粲盟c管網(wǎng)流量之差。 水泵提升壓力為用戶用水壓力。
高壓供水設(shè)備產(chǎn)品性能指標(biāo)
中贏系列高壓供水設(shè)備（管網(wǎng)調(diào)節(jié)增壓設(shè)備）是采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)自行開發(fā)研制的新型供水設(shè)備。具有變量恒壓，供水壓力精度高的顯著特點，即在壓力不變的前提下，流量從零到較大工作流量范圍內(nèi)，供水壓力變化范圍在±0.01Mpa以內(nèi)，可消除對自來水管網(wǎng)生產(chǎn)負(fù)壓的現(xiàn)象，提高了生活給水系統(tǒng)的可靠性；占地面積小，節(jié)省建設(shè)投資，安裝使用維護(hù)方便；是適合用于工業(yè)及民用建筑生活系統(tǒng)的理想給水設(shè)備。
高壓供水設(shè)備（管網(wǎng)調(diào)節(jié)增壓設(shè)備）主要指標(biāo)如下：
流量范圍：2.4m3/h—300m3/h
壓力范圍：0Mpa—1.6Mpa；（可調(diào)）
轉(zhuǎn)速范圍：0-1450r/min或0-2950r/min；（可調(diào)）
高壓供水設(shè)備選型說明
高壓供水設(shè)備的選型是根據(jù)用戶自來水管線、壓力與流量，用戶實際用水量、建筑物的高度等數(shù)據(jù)來確定的，設(shè)備表用的調(diào)節(jié)器容積時按照自來水流量滿足要求的情況下估算的，如果自來水管路很細(xì)，流量不能滿足用水高峰期的用水要求，需要重新計算調(diào)節(jié)器的容積，推薦公式如下：
V容積=（Q出—Q進(jìn)）△t
Q進(jìn)=一天較高用水高峰期自來水進(jìn)水量
Q出=一天較高用水高峰期用戶用水量
t=較大用水高峰期持續(xù)時間
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