船舶变频恒压日用水供水装置设计

2021-08-23张松涛

船电技术 2021年8期

张松涛，吕飞，吉哲

船舶变频恒压日用水供水装置设计

张松涛，吕飞，吉哲

（海军士官学校，安徽蚌埠 233012）

把PLC和变频器应用到船舶日用水供水装置中，采用PID控制方式，设计了恒压供水装置的控制系统，综合了PLC可靠性高、控制功能强和变频器可实现无级调速的优点，实现了恒压供水的目标，减小了装置的能耗、体积、重量和噪音，提高了装置的可靠性、经济性和安全性。

PLC 变频器恒压供水船舶供水

0 引言

船舶日用水供水装置主要用于供给饮用水和洗涤用水，目前多采用定频单速电动机拖动水泵，由压力继电器控制水泵的运行，往压力水柜中注水，再由压力水柜向各用户供水。压力水柜提供的日用水压力不稳定，设备体积大、质量重，且能耗高。本文采用PLC和变频器设计了变频恒压供水装置，该装置具有较高的压力控制精度，能使供水压力保持稳定，且具有体积小、重量轻、保护功能全、噪音低、能耗小等特点。装置设计了自动和手动两种运行工况，可提高运行的可靠性，能较好地适应船舶工作环境。

1 装置总体设计

1.1 装置结构组成

装置由硬件和软件两部分组成，如图1所示。硬件包括供水模块和控制箱，供水模块包括4台水泵机组、4台隔膜气压罐及相关附件等组成，控制箱采用PLC和变频器控制水泵运行，软件部分主要为PLC控制程序，用于控制整个装置的运行。

图1 装置结构组成

1.2 装置运行工况

装置有两种运行工况，即自动工况和手动工况，正常使用时，通常采用自动工况，由PLC控制变频器带动水泵运行；当控制系统出现问题时，可采用手动工况，手动工况由传统的压力继电器控制电机定频工作，以备应急使用。

1.2.1自动工况控制

装置自动工况运行时，通过压力变送器检测水压，把水压值转换为电信号，发送给PLC，PLC把水压值与设定值进行比较，根据比较结果算出需要启动水泵的数量及运行频率，把指令信号发送给变频器和接触器，控制水泵的运行、调速和停止，进而达到恒压供水的目的。

1.2.2手动工况控制

当可编程控制器或变频器发生故障时，可转至手动工况，由压力继电器直接控制单台水泵运行，当水柜压力低于规定值时，水泵启动，定频运行，当水柜压力达到规定值时，水泵停止运行。

1.3 安全保护措施

船舶工作环境恶劣，装置长期工作在高温、高湿、高盐的环境中，容易发生故障。为了确保装置的安全，设置多种保护措施，主要有短路、缺相、过载、过流、超压、欠压、传感器失效等故障的检测、报警及保护停机功能。

1.4 装置主要特点

装置采用体积较小的隔膜气压罐，相对于传统的压力水柜，具有体积小、重量轻的特点；通过变频器控制水泵运行，可避免水泵频繁启停，能明显减小运行噪音，且具有节能的特点；装置设计多种保护措施，能提高安全性能，适合于船舶恶劣的工作环境。

2 硬件设计

装置由供水模块和控制箱组成，供水模块由4台水泵机组、压力变送器、压力继电器、隔膜气压罐、压力表、真空表及管路阀件等组成，控制箱主要由控制箱箱体、PLC、变频器、转换开关、控制按钮和指示灯等组成，装置硬件组成如图2所示。

2.1 供水模块

供水模块由水泵机组、隔膜气压罐、压力变送器、压力继电器、压力表、真空表及管路阀件等组成，水泵机组为4台单机功率为4kW的船用变频电机及离心水泵；隔膜气压罐单个容积为15升，共有4只，用于减少水锤冲击，稳定水压；压力变送器用于向PLC提供系统水压值，进而控制水泵调速运行，使水压稳定在设定值；压力继电器用于手动工况下控制水泵的启动和停止；压力表和真空表用于人员观察水压值和水泵真空值；管路阀件用于系统管路。装置置于自动工况时，水压可稳定在0.4 MPa，装置工作于手动工况时，供水压力为0.2～0.5 MPa。

图2 装置硬件组成

2.2 控制箱

2.2.1变频器

变频器[1,2]可改变电源频率实现对三相异步电动机的无级调速，可实现水泵变频轻载启动，减少电动机启动冲击电流和水泵的机械冲击，降低装置运行噪声。能够使供水量与用水量自动匹配，水压控制精度高，节能效果比较明显[3]。本装置选用施耐德公司生产的ATV61型变频器，其频率控制范围为0～1000 Hz，调速范围广，具有可靠性高、功能先进、性能出众、使用简便等优点。

2.2.2 PLC

经过计算，供水装置的PLC共有12个输入信号和14个输出信号，选用可靠性高、控制功能强的西门子S7-200 CPU224基本单元（14入，10出）和EM223扩展模块（8入，8出），能够满足本装置的要求，并留有一定余量。根据估算，本装置大约需要1 K字节的内存容量，选用的PLC也能满足要求。

2.2.3转换开关

转换开关用于转换装置的工作工况以及选择启动水泵，装置可在自动工况和手动工况之间切换，可手动选择启动水泵的数量以及指定启动某台或多台水泵。

2.2.4控制按钮和指示灯

控制按钮用于装置的启动和停止，指示灯用于电源指示、装置工作状态指示、水泵运行指示和报警指示等。

3 软件设计

装置中的PLC采用PID[4～6]（比例、微分、积分）闭环控制实现水压的恒定，比例调节起主要作用，微分调节可产生超前控制作用，用于提高系统稳定性，积分调节用于消除余差。PID控制具有理论成熟、算法简单、效果较好等优点，是一种应用较为广泛的控制方式，控制原理如图3所示。

图3 装置PID控制流程图

图4 装置控制流程图

S7-200 PLC的编程软件采用STEP 7，设计的程序流程图[7～9]如图4所示。

装置采用自动控制模式时，由PLC和变频器控制装置的运行，当管路压力低于设定值（0.4MPa）时，会启动处于停止状态且累计运行时间最短的水泵，通过PID控制水泵的运行。如果操作人员指定某台泵或某几台泵运行，系统会从指定的泵中选择处于停止状态且累计运行时间最短的水泵启动。

供水压力依靠变频和增减水泵共同控制，优先采用变频进行水压控制，在变频控制不能达到设定水压一定时间后，通过增减水泵进行水压调节，直至达到设定压力。当运行水泵的电源频率达到50 Hz，且水压依然低于设定值达到300 s后，系统会发出增泵指令，增加1台水泵为系统供水，如此循环，最多启动4台水泵，直至水压达到设定值。当管路压力高于设定值（0.4 MPa）时，PLC通过PID反向控制水泵的运行，当频率降低至0 Hz，且水压依然高于设定值达到300秒后，系统会发出减泵指令，停止运行水泵中累计运行时间最长的水泵，如此循环，直至水压达到设定值。