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(diǎn)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(duì)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(dòng)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(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行,；
（3）多臺(tái)泵自動(dòng)切換運(yùn)行,；
（4）系統(tǒng)睡眠與喚醒。當(dāng)外界停止用水時(shí),，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài),，直至有用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒；
（5）在線調(diào)整PID參數(shù),；
（6）泵組及線路保護(hù)檢測(cè)報(bào)警,，信號(hào)顯示等。
將管網(wǎng)的實(shí)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(shí),，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(shí)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(cè)管網(wǎng)的水壓,，將壓力轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號(hào)，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(hào)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(gè)輸入信號(hào)：?jiǎn)?dòng)/停止（DI1、DI5）,、模擬量給定（AI1）,、實(shí)際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）,、恒速（DI3）,、允許運(yùn)行（DI4）；3個(gè)輸出信號(hào)：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(shí)際值A(chǔ)I2,，即根據(jù)恒壓時(shí)對(duì)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(hào)，利用PID控制宏自動(dòng)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(shí)際情況與需求,，利用一臺(tái)變頻器控制3臺(tái)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(tái)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(shí),，要投入下一臺(tái)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(shí),，要切除一臺(tái)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(hào),。它在應(yīng)用上的一個(gè)重要特征就是由PLC自動(dòng)采樣,，隨時(shí)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(jì)算結(jié)果隨時(shí)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(hào)和變頻器輸出頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，提供給PLC[1>,，與恒壓對(duì)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(shí)危險(xiǎn),， 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(shí)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(jì)時(shí)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(dòng)盡可能小，從而提高供水質(zhì)量,。但元件動(dòng)作過程太快,，會(huì)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(shí)閉合,。
3 高壓給水設(shè)備系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件是指用梯形圖語言編制的對(duì)3臺(tái)泵進(jìn)行控制的程序。它對(duì)3臺(tái)泵的控制,，主要解決 系統(tǒng)的手動(dòng)及自動(dòng)切換,、各元件和參數(shù)的初始化、信號(hào)及通訊數(shù)據(jù)的預(yù)處理,、3臺(tái)泵的啟動(dòng),、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(shí)，發(fā)出加泵信號(hào),，投入下1臺(tái)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(shí),，發(fā)出減泵信號(hào),，切除在工頻運(yùn)行方式中的1臺(tái)泵。系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí),，情況簡(jiǎn)單,，首先啟動(dòng)一號(hào)泵即可。但考慮3 臺(tái)泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)情況復(fù)雜,，任1臺(tái)或2臺(tái)泵可能正在工頻自動(dòng)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(hào)后,，按照1號(hào)泵、2號(hào)泵,、3號(hào)泵的順序優(yōu)先考慮,。獲得減泵信號(hào)后，按照3號(hào)泵,、2號(hào)泵,、1號(hào)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(shí)閉合,。在加減泵時(shí) 須設(shè)置元件動(dòng)作順序及延時(shí)，防止誤動(dòng)作發(fā)生,。
考慮到系統(tǒng)工作環(huán)境對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的影響,，在設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù),，當(dāng)模擬輸入信號(hào)變化時(shí)，63％的變化發(fā)生在所定義的時(shí)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(shí)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(jiǎn)單的幾個(gè)參數(shù),，變頻器就可以工作,。
除基本參數(shù)外，還 須對(duì)完整參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,?！ ?nbsp;
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(duì)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(shí),，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(shí),，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)[3,、4>,。
5 試驗(yàn)結(jié)果
由于系統(tǒng)的顯示和通訊功能，可以對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),?？紤]到管網(wǎng)覆蓋面積大，泵站海拔高度相對(duì)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(yàn)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(dòng)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(yàn)記錄的數(shù)據(jù)顯示,，系統(tǒng)在未進(jìn)行濾波和PID控制時(shí),，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(shí)，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(shí)，水錘效應(yīng)影響明顯,，壓力波動(dòng)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(huì)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(jì)的，實(shí)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(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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?jiǎn)栴}而開發(fā)的,，型號(hào)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(gè)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(xiàng)實(shí)用新型國家專利,。
高壓供水設(shè)備特點(diǎn)
1,、 節(jié)電節(jié)水
高壓供水設(shè)備采用變頻進(jìn)行軟起動(dòng)，避免了電流沖擊,。同時(shí)是因?qū)崿F(xiàn)恒壓控制,，也避免了對(duì)管網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)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(dòng)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(chǎng)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(dòng)小,。
5、 具有過載,，短路,，過流等各種自動(dòng)保護(hù)功能。
6,、 自動(dòng)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(shí),，設(shè)備運(yùn)行在低壓變頻狀態(tài)，由變頻器時(shí)刻監(jiān)控管網(wǎng)壓力,，對(duì)反饋值和設(shè)定值進(jìn)行運(yùn)算和比較計(jì)算,，若網(wǎng)管壓力高于用戶所需壓力（設(shè)定壓力）則自動(dòng)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(dòng)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(tái)泵運(yùn)行滿足不了用戶需要時(shí),，其它各臺(tái)泵自動(dòng)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(shí)候，變頻器經(jīng)過一段延時(shí)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(shí),，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(gè)大氣壓時(shí),，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動(dòng)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(shí),，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(shí)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(dòng)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(shí) 當(dāng)自來水壓力高于用戶使用壓力時(shí),，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(shí) 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(shí)
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(shí)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(dòng)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(shí)
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(gè)大氣壓時(shí)，安裝在流量調(diào)節(jié)器頂?shù)呢?fù)壓消除器自動(dòng)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(chǔ)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(jì)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(diǎn),，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(duì)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(shí)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(shí)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(jì)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(shí)間
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