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供水系統(tǒng)在人們生活和工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中是不可少的。隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人們對供水系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性的要求越來越高。變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠很好的滿足現(xiàn)代供水系統(tǒng)的要求。

在水泵變頻恒壓供水系統(tǒng)出現(xiàn)以前，有以下供水方式：

(1) 單臺恒定轉(zhuǎn)速泵的供水系統(tǒng)

這種供水方式是水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，嚴(yán)重影響了城市公用水管管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，水泵整日不停運轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)簡單、造價較低，但耗電嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量較差。

(2) 恒定轉(zhuǎn)速泵加水塔（或高位水箱）的供水系統(tǒng)

這種供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔注滿水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度時水泵啟動，水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式比前一種省電，供水壓力比較穩(wěn)定，但基建設(shè)備投資大，占地面積大，水壓不可調(diào)，供水質(zhì)量差。

(3)恒定轉(zhuǎn)速泵加氣壓罐的供水系統(tǒng)

這種供水方式是利用封閉的氣壓罐代替水塔蓄水，通過檢測罐內(nèi)壓力來控制水泵的開與停。當(dāng)罐中壓力降到壓力下限時，水泵啟動；當(dāng)罐中壓力升到壓力上限時，水泵停止。這種方式，設(shè)備的成本比水塔要低很多。但是電機起動頻繁，易造成電機的損壞，能耗大。

變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅克服了過去供水系統(tǒng)的缺點，而且有其自身的優(yōu)點。此系統(tǒng)采用了先進的s7－200plc和變頻器mm440，s7-200具有低廉的價格和強大的指令，可以滿足多種多樣的小規(guī)模的控制要求，變頻器mm440具有很高的運行可靠性、功能的多樣性和全面而完善的控制功能。這種供水方式不僅提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且實現(xiàn)水泵的無級調(diào)速，使供水壓力能夠跟蹤系統(tǒng)所需水壓，提高了供水質(zhì)量。同時變頻器對水泵采取軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗小。

2 水泵變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本特性

水泵變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本特性是水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線f (q)，前提是供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變。揚程特性所反映的是揚程h與用水流量q之間的關(guān)系。由圖1的揚程特性表明，流量q越大，揚程h越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量q的大小主要取決于用戶的用水情況。

管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，揚程h與流量q之間的關(guān)系h=f (q)。管阻特性反映了水泵轉(zhuǎn)動的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖1可知，在同一閥門開度下，揚程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系統(tǒng)的供水能力。

揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的平衡工作點，如圖1中a點。在這一點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量達到平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當(dāng)用水流量和供水流量達到平衡時，揚程ha穩(wěn)定，供水系統(tǒng)的壓力也保持恒定。

圖1 供水系統(tǒng)的基本特性

3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

3.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

水泵變頻恒壓供水系統(tǒng)采用西門子的s7-200 plc作為控制器，變頻器mm440是頻率調(diào)節(jié)器，交流接觸器和電動機作為執(zhí)行機構(gòu)，壓力傳感器作為控制的反饋元件。s7-200 plc選用內(nèi)部控制模塊cpu224，模擬量2路輸入通用模塊、模擬量2路輸出通用模塊和pid模塊。cpu224有14路輸入/10路輸出，對于小型的控制系統(tǒng)而言夠用。pid模塊使用方便，在軟件中只需要配置pid的每個參數(shù)。

三相交流電與mm440的電源輸入口連接，經(jīng)過變頻器變頻后的交流電接異步電動機，異步電動機帶動水泵轉(zhuǎn)動。s7-200數(shù)字輸出口輸出控制信號到交流接觸器，交流接觸器兩端連接的是工頻或變頻的三相交流電，主要起接通或斷開三相交流電與異步電動機。s7-200的模擬輸出口輸出控制電壓信號給mm440的模擬電壓輸入口ain1+和ain1-，該控制電壓主要調(diào)節(jié)交流電的頻率。壓力傳感器從供水網(wǎng)絡(luò)中反饋壓力信號，壓力信號經(jīng)過濾波放大后輸入給s7-200的模擬輸入口。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 系統(tǒng)的工作原理

水泵變頻恒壓供水系統(tǒng)是由三相異步電動機帶動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，通過變頻器調(diào)節(jié)輸入交流電的頻率而調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量來調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)的壓力。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是三相異步電動機的變頻調(diào)速，通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。

異步電機的轉(zhuǎn)速為：

其中：

n0為異步電機同步轉(zhuǎn)速；

n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

f為異步電機的定子輸入交流電的頻率；

s為異步電機的轉(zhuǎn)差率；

p為異步電機的極對數(shù)。

由上式可知，當(dāng)異步電機的極對數(shù)p不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子輸入交流電頻率f成正比。

當(dāng)系統(tǒng)啟動，運行在自動模式時，此時手動模式無效。系統(tǒng)按照給定的水壓進行設(shè)定，plc根據(jù)給定的水壓自動調(diào)節(jié)交流電的頻率，準(zhǔn)確跟蹤給定的供水壓力。在用水量高峰時期，系統(tǒng)的用水量猛增，揚程降低，供水量不足，供水水壓下降，1#電機輸入交流電的頻率會升高，以提高供水水壓。當(dāng)交流電的頻率達到額定頻率，供水水壓仍然小于設(shè)定的水壓時，1#電機會自動切換到工頻狀態(tài)下，同時2#電機啟動并工作在變頻狀態(tài)。在夜間，系統(tǒng)的用水量遞減，揚程升高，供水量過大，2#電機會退出變頻狀態(tài)，1#電機由工頻切換到變頻狀態(tài)，并不斷調(diào)節(jié)交流電頻率，系統(tǒng)終要維持供水的設(shè)定壓力。當(dāng)系統(tǒng)運行在手動模式時，自動模式無效。在自動模式出現(xiàn)問題或系統(tǒng)在維護期間時，系統(tǒng)才會采用手動模式。用戶根據(jù)需要，可以從plc的輸入開關(guān)輸入信號，選擇1#電機或2#電機運行在工頻狀態(tài)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的功能要求：系統(tǒng)的供水壓力能夠準(zhǔn)確跟蹤給定供水壓力（穩(wěn)態(tài)誤差在5％內(nèi)）；可以自動進行自動模式/手動模式切換。

系統(tǒng)的控制原理框圖如圖3所示。壓力傳感器從供水管網(wǎng)反饋電壓信號，電壓信號經(jīng)過濾波放大后送到s7-200的模擬輸入口，與給定的供水壓力信號比較形成壓力偏差信號，經(jīng)過plc（s7-200）pid模塊pi調(diào)節(jié)后發(fā)出控制電壓信號，送到變頻器mm440的模擬輸入調(diào)節(jié)端口。送到變頻器mm440的模擬電壓信號與連接到變頻器mm440的三相交流電的頻率一一對應(yīng)，調(diào)節(jié)控制電壓信號就可以調(diào)節(jié)三相交流電的頻率。系統(tǒng)是以供水管網(wǎng)的供水壓力為控制對象而構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其設(shè)計是按照兩個電機就可以滿足供水要求。