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摘要：文章對環(huán)保、節(jié)能、自動補壓型給水設(shè)備作了介紹。從消防科研的實踐出發(fā)，闡述了變頻調(diào)速技術(shù)在消防給水設(shè)備中的應(yīng)用。以單片機電路控制方式為例，介紹了其工作原理。 |
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1 傳統(tǒng)水泵控制技術(shù)的弊端 在傳統(tǒng)的水泵控制方式中，靠調(diào)節(jié)出口或人口閘閥方式來進行，人為增加管網(wǎng)阻力達到變化流量和壓力的目的。因此，在控制過程中，流程阻力損失相應(yīng)增加，而此時水泵的特性曲線不變，葉片轉(zhuǎn)速不變，電機輸入功率并無減少，而是白白地損失在調(diào)節(jié)過程中。 經(jīng)測算，當(dāng)水泵的流量由100％降到50％時，若分別采用調(diào)節(jié)出口和人口閥門的方式，則電機的輸入功率分別為額定功率的84％和60％，而水泵的軸功率僅為12.5％，即損失功率分別為71.5％和47.5％。這說明不采用先進的控制措施，即使水泵的設(shè)計效率為100％，其實際的運行效率可能只有百分之十幾或更低。 傳統(tǒng)的控制方式，造成水泵長期處于高速、滿負荷狀態(tài)下運行，因此維護工作量大，設(shè)備壽命低，并且運行現(xiàn)場噪聲大，影響環(huán)境。 2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理 變頻調(diào)速技術(shù)(variable velocity valiable frequency technology)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術(shù)和計算機控制的先進技術(shù)，廣泛應(yīng)用于水泵節(jié)能和恒壓供水領(lǐng)域。 變頻調(diào)速的基本原理是根據(jù)交流電動機工作原理中的轉(zhuǎn)速關(guān)系，即均勻改變電動機定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速變慢，軸功率就相應(yīng)減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調(diào)速的節(jié)能作用。 眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即P=Kn3。其中P為水泵消耗功率；n為水泵運行時的轉(zhuǎn)速；K為比例系數(shù)。變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。用閥門控制水泵流量時，部分有功功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。如果采用降低電機轉(zhuǎn)速的方式進行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉(zhuǎn)運同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節(jié)能效果。實踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20％，從而大大降低能耗。 3 變頻調(diào)速技術(shù)用于消防給水系統(tǒng)的控制方式 3.1 繼電接觸器控制方式 這是最簡單的一類控制方式。根據(jù)工藝或外界條件的變化，依靠傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)，采用繼電接觸器來控制水泵電動機運轉(zhuǎn)，達到調(diào)速目的。 3.2 邏輯電子電路控制方式 這類控制電路往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式?？刂品绞捷^為先進，但難以實現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調(diào)節(jié)。因此控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調(diào)試較麻煩，且工頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但系統(tǒng)成本較低。系統(tǒng)工作原理為：當(dāng)消防管網(wǎng)壓力降至某一規(guī)定值(低限值)時，由壓力傳感器發(fā)出信號自動開啟穩(wěn)壓泵對管網(wǎng)補水加壓，當(dāng)壓力升至另一規(guī)定值(高限值)時自動停泵。根據(jù)需要系統(tǒng)可設(shè)置消防中心聯(lián)動接口，當(dāng)消防中心發(fā)出火警信號或按動消火栓按鈕，電控柜自動開啟消防主泵進行滅火。 3.3 單片機電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電子電路，但在不同管網(wǎng)、不同供水情況時調(diào)試較麻煩。因系統(tǒng)程序預(yù)先固化于芯片中，需要追加功能時，就要對電路進行修改，重新刷新設(shè)置程序，不靈活也不方便，控制電路的可靠性和抗干擾能力也不高。
圖1所示為筆者參與研制的ZBW系列微機控制全自動恒壓供水系統(tǒng)的電路控制原理圖與系統(tǒng)圖。系統(tǒng)通過高性能單片機控制變頻調(diào)速器拖動多臺水泵，逐臺變頻調(diào)速啟動，實現(xiàn)全自動恒壓供水。變頻穩(wěn)壓泵由具有恒壓供水控制功能的變頻器控制運行。平時無火警時，由變頻穩(wěn)壓泵向消防管網(wǎng)充水穩(wěn)壓，使系統(tǒng)隨時能夠滿足消防給水要求。當(dāng)管網(wǎng)充水穩(wěn)壓到設(shè)定恒壓，穩(wěn)壓泵流量趨近于零并維持一段時間(時間通過程序可控制)后，變頻穩(wěn)壓泵自動停泵，進入等待狀態(tài)，由貯能罐維持穩(wěn)壓。當(dāng)管網(wǎng)壓力下降至某一設(shè)定的壓力值時，變頻穩(wěn)壓泵自動啟動恢復(fù)恒壓穩(wěn)壓。當(dāng)系統(tǒng)接收到火災(zāi)信號后，由單片機控制主消防泵(可以根據(jù)需要為一臺或數(shù)臺)依次工頻啟動，以提供額定的消防流量和壓力。在主消防泵已投入運行的情況下，如管網(wǎng)壓力不足，由單片機控制備用消防泵自動投入，以滿足消防用水流量要求。通過與消防控制中心聯(lián)網(wǎng)，可按設(shè)計程序進行自動或手動巡檢，從而實現(xiàn)消防聯(lián)動控制功能。 自來水管網(wǎng)壓力一般是周期性變化的，其壓力變化可以用時間t為變量的函數(shù)P(t)來表示。若用戶需要水壓為Pv，各個時間段需要補充的壓力不同，其函數(shù)式為Py-P(t)，也以時間t為變量的函數(shù)。當(dāng)P(t) 設(shè)備處于運行狀態(tài)時，能量調(diào)節(jié)儀自動監(jiān)測自來水管網(wǎng)壓力變化，并控制設(shè)備在不同的狀態(tài)下運行。當(dāng)自來水管網(wǎng)壓力P(t)達到Pn時(P1點)，設(shè)備自動開機，水泵在變頻狀態(tài)下運行，壓力被補充；隨著管網(wǎng)壓力的變化，當(dāng)P(t)升至Pv時(P2點)，設(shè)備自動停機，由管網(wǎng)直接向用戶供水；當(dāng)管網(wǎng)壓力波峰過后，壓力降至Pv時 (P3點)，設(shè)備又自動開機補壓；當(dāng)管網(wǎng)壓力繼續(xù)向波谷下降至Pm時(P4點)，設(shè)備自動停機，以避免破壞管網(wǎng)和污染水質(zhì)。 系統(tǒng)中，水泵起到對自來水補壓的作用，以滿足用戶對供水壓力的需求。貯能罐能接收并貯存自來水管網(wǎng)的能量，還能起到在啟泵時減輕對管網(wǎng)影響的作用。壓力傳感器用于接收用戶管網(wǎng)壓力信息，控制水泵轉(zhuǎn)速。能量調(diào)節(jié)儀接收自來水管網(wǎng)的壓力信息，調(diào)節(jié)控制水泵充分利用管網(wǎng)能量，避免對管網(wǎng)的破壞和影響?？刂乒裼糜诮邮諌毫鞲衅鞯男畔⒉⒔?jīng)處理后控制水泵的啟動、停止和轉(zhuǎn)速。其中，能量調(diào)節(jié)儀是設(shè)備的核心部件，它本身自帶3個可隨意設(shè)定的壓力值，與自來水管網(wǎng)的壓力值相交時便產(chǎn)生了4個壓力點。能量調(diào)節(jié)儀將時刻監(jiān)測管網(wǎng)的壓力情況。每監(jiān)測到一個壓力點都做出相應(yīng)的判斷，并將判斷結(jié)果傳輸給微機變頻控制系統(tǒng)，達到自動補壓的目的。設(shè)備的啟動方式為軟啟動，對電網(wǎng)及管網(wǎng)的沖擊很小。由于該設(shè)備不設(shè)儲水池而是直接并聯(lián)于管網(wǎng)進行補壓，減少了污染，降低了能耗。 3.4 帶比例積分微分(PID)控制器和／或可編程序邏輯(PLC)控制器的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使輸出水壓連續(xù)變化。其中，傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)控制器內(nèi)部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號，也可以將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送人PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。在水泵控制系統(tǒng)中使用變頻調(diào)速技術(shù)，調(diào)速器的控制可以自動，也可以手動。變頻器的加速和減速可根據(jù)要求自動調(diào)節(jié)，控制精度高。 3.5 變頻器內(nèi)部集成控制方式 此種控制方式將PID、PLC的功能都以集成方式綜合到變頻器內(nèi)，形成了面向控制和應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運算預(yù)先固化在變頻器內(nèi)部，省去對PLC的設(shè)計和對PID的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易。內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器采甩了優(yōu)化算法，所以水壓調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。所以采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設(shè)備，能夠降低設(shè)備成本，并節(jié)省安裝調(diào)試時間。 此外，針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，有些產(chǎn)品設(shè)計采用了變頻調(diào)速和智能控制技術(shù)，因此多電平直接高壓變頻器、模糊控制器等器件得到了應(yīng)用。如利用多電平直接高壓變頻器，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的功率輸入和輸出、高功率因數(shù)和不間斷運行。采用模糊控制器會最大限度地適應(yīng)被控對象的復(fù)雜性，達到控制精度高、響應(yīng)快、控制規(guī)律簡單的目的。 4 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于消防給水系統(tǒng) (1)有消防信號外部輸入接口。當(dāng)有火警或火災(zāi)信號到來時，系統(tǒng)能自動切換到火災(zāi)狀態(tài)； (2)設(shè)計有系統(tǒng)自動巡檢功能，定時巡檢周期可根據(jù)需要設(shè)定； (3)便于靈活配置常規(guī)泵、消防泵及其他功能泵，便于實現(xiàn)供水泵房全面自動化； (4)工作泵與備用泵不固定，可自動定時輪換，有效地防止因為備用泵長期不用時發(fā)生的銹死現(xiàn)象； (5)故障自動電話撥號功能。當(dāng)供水系統(tǒng)或變頻器發(fā)生故障時，通過內(nèi)置串行通訊接口，與外接MODEM設(shè)備進行信號連接，自動啟動預(yù)先設(shè)定的電話號碼和信息，及時通知設(shè)備維護人員進行相應(yīng)處理，可以方便地實現(xiàn)泵房無人值守運行； (6)可以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，便于實現(xiàn)樓宇自動化管理。 變頻調(diào)速技術(shù)用于消防給水系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)甩水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足消防用水要求。與傳統(tǒng)消防給水方式相比，不論是設(shè)備的投資、運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。 變頻調(diào)速技術(shù)用于水泵控制系統(tǒng)，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運行工藝安全可靠等優(yōu)點。在大力提倡節(jié)約能源的今天，推廣使用這種集現(xiàn)代先進電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)于一體的高科技節(jié)能裝置，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重大的現(xiàn)實意義?？梢哉f變頻調(diào)速技術(shù)是一項利國利民、有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)。 參考文獻 1 金傳偉.毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用《電子技術(shù)應(yīng)用》，2000；9 2扈匯絢.采用變頻技術(shù)實現(xiàn)風(fēng)機、水泵節(jié)能降耗資源與環(huán)境產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)，2002；10 3 Gu An-yong et a1，Exploration of the National Future Fire Fighting and Rescue Technology and Equipment in China Based on Modem Military Equipment Technology，Proceedings Of Intenmonal Symposium on Fire Scimce and fire-Protection Engineering 4 消防產(chǎn)品研究編輯部.《消防產(chǎn)品信息與行業(yè)名錄匯編》2002；10 5 《固定消防給水設(shè)備的性能要求和試驗方法》 (GA30-2002)2002；12 6 李勇偉.專用變頻器在恒壓供水裝置中的應(yīng)用中國新型建筑材料網(wǎng) |
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