基于同一频率源的恒压供水系统设计

侯金泉+魏奇

摘 要：双泵控制的恒压供水系统普遍存在自动化程度低、可靠性差，电机低频运行，能耗大，效率低且启停频繁等问题。本文设计了一种采用同一频率源进行双泵控制的控制系统，通过PLC技术与变频器技术的应用，实现高精度的恒压供水控制，提升压力反应灵敏性，确保双泵都处于高效率区间，保证供水系统可靠高效运行。

关键词：双泵；恒压供水；同一频率源

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.122

0 引言

恒压供水系统目前在企业生产生活中利用广泛，尤其在工厂供能部门。供水系统正常运转对企业生产顺利进行具有重要意义，要求供水压力保持较高稳定性。由于工厂前期供水系统设计控制较为简单，导致供水压力波动较大。以我厂恒压供水系统为例：改造前采用双泵供水，控制方式是当母管供水压力低于0.2MPa时，启动一台水泵，工频运行；当压力超过0.35MPa时，停止一台水泵，母管供水压力在0.2MPa到0.35MPa之间波动。本文提出了一种基于同一频率源的控制系统，在满足供水压力精度要求的基础上，保证水泵一直处于高效率运行区间，按需分配，确保设备在运行时拥有较好的能耗比。

1 变频恒压供水理论分析

目前，水泵电机通常由三相交流异步电动机来驱动，对水泵的调速通过对其电机转速的调节来实现，电机转速的调节主要通过变频调速装置同时改变电压和频率来实现。变频调速系统通常是使用变频器拖动电机来实现电动机的软启动和无级调速。在分析水泵的负载特性时，常采用下列的一组公式：

M∝n2

P∝n 3

式中： n 为电机转速； M 为输出转矩； P 为输出功率。可知： 水泵具有平方转矩负载特性，当用水量减少时，电机转速降低，电机转速的微量减小，将使输出功率大幅下降。

2 控制系统基本原理

2.1 功能要求

变频恒压供水系统控制的功能要求如下： ①供水压力基本恒定， 换泵时的水压波动小，压力目标值在0.35MPa； ②共有2台11KW水泵，根据需要来控制水泵启动停止以及转速。③水泵需具备相应的状态监测报警以及过流、短路保护。

2.2 控制思路

首先由安装在母管上的压力传感器提供的管网压力信号，通过通讯总线传递给控制器，控制器对数据进行处理，根据传感器的采样值与需求的设定值进行比较，通过控制器内的程序进行数据处理，控制器根据处理结果向变频器发送命令，控制变频器的启停和输出频率，从而控制水泵的转速，保持供水管道的压力恒定。

3 硬件设计

根据工厂对恒压供水系统的要求，规划设计系统架构，并选取相应的硬件材料，进行硬件设计。硬件系统主要由控制器、压力传感器、变频器、水泵以及本地控制电路组成。选取1台西门子PLC-300作为控制器，采用E+H压力传感器和两台丹佛斯系列变频器控制两台11KW水泵。

4 系统的程序设计

4.1 控制策略

压力传感器实时测量母管供水压力，并通过通讯总线将数据传递给控制器，控制器内部程序会对母管实际压力和目标压力进行比较，而后生成变频器的控制频率。当母管实际压力高于目标压力时，控制频率会逐步降低，使母管压力下降，压力差越大，频率下降越快，压力差越小，频率下降越慢。当母管实际压力低于目标压力时，输出频率会逐步升高，压力差越大，升高速度越快，压力差越小，升高速度越慢。两台变频器使用控制器输出的同一频率来进行控制，并通过延时后稳定的频率数值来决定两台水泵的起停。

4.2 控制过程

在用水高峰期，用水量增大，管网压力随之下降，此时压力的变化通过程序运算后，最终使变频器输出频率增加，使水泵电机转速增加，当达到或者超过49Hz时，并且延时30s后，第二台水泵启动，与第一台水泵相同的频率运行，如果此时用水量保持不变，两台水泵同时以高频率供水，母管壓力将会升高，控制器通过运算后会降低输出频率，两台水泵由于采用同一频率源，此时频率会同时降低，保证供水压力稳定。当用水量较少时，管网压力将增加，压力的变化通过PID运算后使变频器输出频率下降，两台水泵频率同时降低，当长时间低于40Hz时，第二台水泵自动退出运行，由单台水泵进行供水，保证供水压力稳定的同时，最大限度的节约能耗。

5 结束语

本文介绍了一种采用同一频率源控制的新型恒压供水方法，双泵能够同时反应，调控水压能力强，反应灵敏，并且具备水泵的自动投切功能，使双泵能够运行在高效率区间。避免了传统控制方法导致的泵以较低频率运行，能耗效率低，电机因散热不足影响使用寿命问题。采用了西门子PLC-300控制器和PROFINET总线控制变频器技术，设计、实现了闭环变频恒压供水控制系统。具有简单实用、可靠性好、通用性强以及便于监控维护等特点， 利用PROFINET总线实现树形连接，有效提高通讯可靠性。通过多重保护报警程序的编写实现了系统的高安全性。本设计在工厂中得到了实际应用，取得了良好的使用效果。

参考文献：

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[3]杨庆生.恒压供水PID自控系统设计[J].考试周刊，2011（28）： 175.endprint