[科普中國(guó)]-恒壓供水控制

簡(jiǎn)介

水是萬物之源，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中不可或缺。在我國(guó)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(jìn)行推廣的。但是，長(zhǎng)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(gè)方面和供水技術(shù)一直比較落后且自動(dòng)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(fèi)，同時(shí)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(yùn)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(dá)標(biāo)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(shí)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(yàn)，在不同時(shí)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(shí)，通過變頻技術(shù)降低能耗，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

國(guó)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(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)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(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)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(dòng)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(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)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(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)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(guó)內(nèi)有不少在做變頻恒壓供水工程的公司，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速。對(duì)于水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)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(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)的動(dòng)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(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)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(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)(丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)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(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)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(chǎng)所。

可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中3，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)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(jìn)口壓力保持恒定為條件，實(shí)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(jí)調(diào)速等調(diào)速方法，其是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù).它采用微機(jī)控制技術(shù)；電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。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(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)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(fèi)；供水系統(tǒng)效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)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(dòng)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(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)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(jí)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(jī)時(shí)能減少電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減少水泵、電機(jī)自身的機(jī)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(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1)變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)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(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)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(gè)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(shí)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(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。

(4)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)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(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)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(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。

恒壓供水系統(tǒng)原理系統(tǒng)原理框圖如圖，整個(gè)系統(tǒng)由電機(jī)泵組（3臺(tái)）、一臺(tái)變頻調(diào)速器、一臺(tái)PLC300和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)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(cè)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(hào)）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(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)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(hào)變成4~20mA的電流信號(hào)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)經(jīng)過PID控制模塊進(jìn)行比較，PID根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以運(yùn)行頻率的形式進(jìn)行輸出控制，這樣運(yùn)行頻率的變化就可以改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(gè)上限頻率和下限頻率檢測(cè)，當(dāng)用水量大則供水壓力低于設(shè)定值時(shí)，變頻器頻率上升到上限頻率，此時(shí)變頻器輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)給PLC；當(dāng)用水量處于低峰時(shí)供水壓力升高，變頻器輸出頻率降低到下限頻率時(shí)，變頻器輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)給PLC，這兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，但任何一個(gè)信號(hào)反饋到PLC都會(huì)影響PLC的輸出，以實(shí)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(jī)臺(tái)數(shù)，并完成電機(jī)的啟停和、變頻與工頻切換。通過調(diào)整投入工作的電機(jī)的臺(tái)數(shù)和控制電機(jī)組中一臺(tái)電機(jī)的變頻轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)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(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成4。

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)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(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。

定量泵:水泵運(yùn)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(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充.

（2）信號(hào)檢測(cè)

在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào)： 水壓信號(hào)：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(hào)。

報(bào)警信號(hào)：它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。

（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(gè)部分。

供水控制器：它是整個(gè)變頻恒壓控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）進(jìn)行控制。

變頻器：它是對(duì)水泵進(jìn)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(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)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(hù)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(duì)水泵的切換等。

(4)人機(jī)界面

人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過人機(jī)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(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

（6）報(bào)警裝置

作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)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(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、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(duì)各種報(bào)警量實(shí)時(shí)反饋，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。

控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)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(dòng)程序。

2、增/減泵程序。

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

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

3、保護(hù)程序

對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)主要包括了系統(tǒng)的過載、欠壓和水池水位下限等保護(hù)。過載和水位下限主要通過程序?qū)崿F(xiàn)，而欠壓保護(hù)則通過硬件實(shí)現(xiàn)，為了防止同一電機(jī)的兩個(gè)接觸器同時(shí)接通而造成對(duì)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(hù)功能的提高運(yùn)行的可靠性。

4、變頻器的關(guān)斷與運(yùn)行程序

每次啟動(dòng)新泵或切換變頻泵時(shí)，應(yīng)將正在運(yùn)行的變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，且應(yīng)將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)若有電源瞬時(shí)停電或故障的情況，則系統(tǒng)停機(jī)，待電源恢復(fù)正?；蚺懦收虾螅到y(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)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(yùn)行故障處理程序及報(bào)警信號(hào)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(jí)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。