[科普中國]-恒壓供水控制

簡介

水是萬物之源，在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中不可或缺。在我國水資源和電能短缺的客觀現(xiàn)狀下，節(jié)水節(jié)能就成為了當(dāng)前迫切需要進行推廣的。但是，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)用水等幾個方面和供水技術(shù)一直比較落后且自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期水的供給量常常低于需求量，水壓降低無法正常供水，但在用水低谷期水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供水供過于求的現(xiàn)象。這樣不僅造成水資源及電能的浪費，同時水壓過高有可能導(dǎo)致輸水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。在這樣的歷史背景下，恒壓供水控制系統(tǒng)應(yīng)運而生。

供水控制是自來水公司配水過程中重要的工序2，在供水控制中，經(jīng)過過濾、消毒等工藝處理達標的自來水通過大功率離心水泵送到城市自來水管網(wǎng)中，隨著居民用水或者其他用水用戶在不同時段用水量的不同，自來水公司送入到自來水管網(wǎng)中的水量也就不同。恒壓供水控制結(jié)合自來水公司多年的供水經(jīng)驗，在不同時段設(shè)定不同的管網(wǎng)壓力，使得供水與用水之間保持平衡，不但提高了供水的質(zhì)量。同時，通過變頻技術(shù)降低能耗，提高設(shè)備運行的可靠性。

國內(nèi)外研究概況恒壓供水控制系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水控制系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水控制功能的變頻器，像瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。

目前國內(nèi)有不少在做變頻恒壓供水工程的公司，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速。對于水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán)(丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。

可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中3，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于居民生活、工業(yè)生產(chǎn)中。

采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以水管進口壓力保持恒定為條件，實際上給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)。

變頻調(diào)速優(yōu)于以往的調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方法，其是當(dāng)今國際上一項效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機調(diào)速技術(shù).它采用微機控制技術(shù)；電力電子技術(shù)和電機傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度水力、電力資源的浪費；供水系統(tǒng)效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減少電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減少水泵、電機自身的機械沖擊損耗。

變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:

(1)變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。

(2)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。由于用戶管網(wǎng)中有管阻、水錘等因素的存在，同時又水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成線性變化。

(3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)面向各種各樣的供水系統(tǒng)具有廣泛的通用性，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。

(4)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。由于系統(tǒng)中有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化。

(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。

恒壓供水系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理框圖如圖，整個系統(tǒng)由電機泵組（3臺）、一臺變頻調(diào)速器、一臺PLC300和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺水泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋0—5V電壓信號）或壓力變送器（反饋4—20mA）；變頻器是恒壓供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。

工作原理其工作原理是4：通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出水口壓力信號變成4~20mA的電流信號送至變頻器，再通過變頻器的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量變成數(shù)字量，同時變頻器的A/D轉(zhuǎn)換模塊也將壓力設(shè)定值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，兩個數(shù)據(jù)同時經(jīng)過PID控制模塊進行比較，PID根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置進行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以運行頻率的形式進行輸出控制，這樣運行頻率的變化就可以改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，進而可調(diào)節(jié)供水量。根據(jù)用水量的不同，變頻水泵的工作頻和率轉(zhuǎn)速也不同，在變頻器設(shè)置中設(shè)定一個上限頻率和下限頻率檢測，當(dāng)用水量大則供水壓力低于設(shè)定值時，變頻器頻率上升到上限頻率，此時變頻器輸出一個開關(guān)信號給PLC；當(dāng)用水量處于低峰時供水壓力升高，變頻器輸出頻率降低到下限頻率時，變頻器輸出一個開關(guān)信號給PLC，這兩個信號不會同時產(chǎn)生，但任何一個信號反饋到PLC都會影響PLC的輸出，以實現(xiàn)切換交流接觸器組，以此協(xié)調(diào)投入工作的水泵電機臺數(shù)，并完成電機的啟停和、變頻與工頻切換。通過調(diào)整投入工作的電機的臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的。

恒壓供水系統(tǒng)的組成變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成4。

（1）執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng).通常這些水泵包括:

量泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。

定量泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充.

（2）信號檢測

在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號： 水壓信號：它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制系統(tǒng)的主要反饋信號。

報警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。

（3）控制系統(tǒng)

供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水系統(tǒng)柜中，包括供水控制器（PLC系統(tǒng)）、變頻器和電控設(shè)備三個部分。

供水控制器：它是整個變頻恒壓控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)（即水泵）進行控制。

變頻器：它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。

電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換等。

(4)人機界面

人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定。

（5）通訊接口

通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

（6）報警裝置

作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量實時反饋，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。

控制系統(tǒng)程序設(shè)計系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，該系統(tǒng)的控制程序主要包括以下幾大部分5。

1、起動程序。

2、增/減泵程序。

為了恒定水壓，泵組在運行過程中，須根據(jù)管網(wǎng)的壓力變化而自動切換水泵電機的工作，而增/減泵的通知信號主要來自于變頻器的FU和OL兩個輸出端的信號，但為了判斷變頻器工作頻率達到上、下限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上、下限情況，

故程序中采取時間濾波，以保證提高增減泵的可靠性，另外，為了避免某一臺泵由于連續(xù)運行時間過長而降低了泵的使用壽命部，應(yīng)合理的安排泵的運行時間，故任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3H。因此每次需啟動新泵或切換變頻泵時，應(yīng)以新運行泵為變頻泵。減泵時應(yīng)按 “先開先停”的原則進行運行和退出。

3、保護程序

對系統(tǒng)的保護主要包括了系統(tǒng)的過載、欠壓和水池水位下限等保護。過載和水位下限主要通過程序?qū)崿F(xiàn)，而欠壓保護則通過硬件實現(xiàn)，為了防止同一電機的兩個接觸器同時接通而造成對變頻器的傷害，在程序和硬件接線上者體現(xiàn)了聯(lián)鎖保護功能的提高運行的可靠性。

4、變頻器的關(guān)斷與運行程序

每次啟動新泵或切換變頻泵時，應(yīng)將正在運行的變頻器上切除，并接上工頻電源運行，且應(yīng)將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動若有電源瞬時停電或故障的情況，則系統(tǒng)停機，待電源恢復(fù)正?；蚺懦收虾?，系統(tǒng)自動恢復(fù)到初始狀態(tài)開始運行。

5、故障處理程序

故障處理程序主要包括水位下限故障、變頻器運行故障處理程序及報警信號程序。

應(yīng)用范圍1、新建的住宅小區(qū)、別墅、寫字樓、綜合樓生活供水4。

2、高層建筑、消防用水、高級賓館飯店等的生活供水。

3、氣壓給水,地面水池加壓等傳統(tǒng)供水系統(tǒng)改造。

4、各種鍋爐冷水供水系統(tǒng)、鍋爐熱水。

5、自來水廠的中間加壓泵站、自來水二次增壓。

6、各工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水、管網(wǎng)穩(wěn)壓。

7、各種類型的循環(huán)水、冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)。

8、自來水壓力不能滿足要求的生活、消防加壓供水等。