恒壓供水控制

恒壓供水控制系統(tǒng)原理框圖

如圖《系統(tǒng)原理框圖》所示，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。

恒壓供水控制工作原理

其工作原理是 ：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。

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 ，在供水控制中，經(jīng)過過濾、消毒等工藝處理達標(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。

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。

1、新建的住宅小區(qū)、別墅、寫字樓、綜合樓生活供水 。

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。

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 。

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?！钡脑瓌t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。

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(biāo)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 ，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 。

（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。

變頻恒壓供水控制器是專業(yè)用于恒壓供水控制的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，整合人機界面和變頻恒壓供水專用微電腦供水控制程序而成。引進外國最新設(shè)計理念、精密技術(shù)，并結(jié)合中國人的用水習(xí)慣二次開發(fā)而成。

專門針對泵房惡劣環(huán)境實現(xiàn)智能、無人、恒壓供水、穩(wěn)定運行的需要而研發(fā)設(shè)計的專業(yè)微電腦控制器 。

隨著電機控制技術(shù)和可編程控制器的飛速發(fā)展，以及其應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛使用，在其它領(lǐng)域（如民用和家庭自動化）的應(yīng)用也得到了迅速的發(fā)展。

由于電機控制技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。