[科普中国]-恒压供水控制

简介

水是万物之源，在现实生产生活中不可或缺。在我国水资源和电能短缺的客观现状下，节水节能就成为了当前迫切需要进行推广的。但是，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环用水等几个方面和供水技术一直比较落后且自动化程度低。主要表现在用水高峰期水的供给量常常低于需求量，水压降低无法正常供水，但在用水低谷期水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供水供过于求的现象。这样不仅造成水资源及电能的浪费，同时水压过高有可能导致输水管爆裂和用水设备的损坏。在这样的历史背景下，恒压供水控制系统应运而生。

供水控制是自来水公司配水过程中重要的工序2，在供水控制中，经过过滤、消毒等工艺处理达标的自来水通过大功率离心水泵送到城市自来水管网中，随着居民用水或者其他用水用户在不同时段用水量的不同，自来水公司送入到自来水管网中的水量也就不同。恒压供水控制结合自来水公司多年的供水经验，在不同时段设定不同的管网压力，使得供水与用水之间保持平衡，不但提高了供水的质量。同时，通过变频技术降低能耗，提高设备运行的可靠性。

国内外研究概况恒压供水控制系统是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、变压变频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水控制系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。即1968年，丹麦的丹佛斯公司发明并首家生产变频器(丹佛斯是传动产品全球五大核心供应商之一)后，随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水控制功能的变频器，像瑞士的ABB集团推出了HVAC变频技术，法国的施耐德公司推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循坏方式”两种模式。

目前国内有不少在做变频恒压供水工程的公司，大多采用国外品牌的变频器控制水泵的转速。对于水管的管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循坏切换、定时起动、停止和定时循环(丹麦丹佛斯公司的VLT系列变频器可实现七台水泵机组的切换)。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中3，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制的研究还是不够的。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于居民生活、工业生产中。

采用变频调节以后，系统实现了软起动，电机起动电流从零逐渐增至额定电流，起动时间相应延长，对电网没有较大的冲击，减轻了起动机械转矩对于电机的机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命。这种调控方式以稳定水压为目的，各种优化方案都是以水管进口压力保持恒定为条件，实际上给水泵站的出口压力允许在一定范围内变化。因此这种调控方式缩小了优化范围，所得到的解为局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。

变频调速优于以往的调压调速、变极调速、串级调速等调速方法，其是当今国际上一项效益最高、性能最好、应用最广、最有发展前途的电机调速技术.它采用微机控制技术；电力电子技术和电机传动技术实现了工业交流电动机的无级调速，具有高效率、宽范围和高精度等特点。以变频器为核心结合PLC组成的控制系统具有高可靠性、强抗干扰能力、组合灵活、编程简单、维修方便和低成本低能耗等诸多特点。

变频恒压供水系统的特点传统的供水方式普遍存在不同程度水力、电力资源的浪费；供水系统效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减少电流对电网的冲击以及供水对管网系统的冲击；三是能减少水泵、电机自身的机械冲击损耗。

变频恒压供水系统能适用生活水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

(1)变频恒压供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如:温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

(2)变频调速恒压供水系统是一个线性系统。由于用户管网中有管阻、水锤等因素的存在，同时又水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成线性变化。

(3)变频调速恒压供水系统面向各种各样的供水系统具有广泛的通用性，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

(4)变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。由于系统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运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化。

(5)当出现意外的情况(如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

恒压供水系统原理系统原理框图如图，整个系统由电机泵组（3台）、一台变频调速器、一台PLC300和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台水泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0—5V电压信号）或压力变送器（反馈4—20mA）；变频器是恒压供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、波动稳压的效果和各项功能。

工作原理其工作原理是4：通过安装在出水管网上的压力传感器，把出水口压力信号变成4~20mA的电流信号送至变频器，再通过变频器的A/D转换模块将模拟量变成数字量，同时变频器的A/D转换模块也将压力设定值转换成数字量，两个数据同时经过PID控制模块进行比较，PID根据变频器的参数设置进行数据处理，并将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出控制，这样运行频率的变化就可以改变水泵电机的转速，进而可调节供水量。根据用水量的不同，变频水泵的工作频和率转速也不同，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大则供水压力低于设定值时，变频器频率上升到上限频率，此时变频器输出一个开关信号给PLC；当用水量处于低峰时供水压力升高，变频器输出频率降低到下限频率时，变频器输出一个开关信号给PLC，这两个信号不会同时产生，但任何一个信号反馈到PLC都会影响PLC的输出，以实现切换交流接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停和、变频与工频切换。通过调整投入工作的电机的台数和控制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达到恒压供水的目的。

恒压供水系统的组成变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成4。

（1）执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网.通常这些水泵包括:

量泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

定量泵:水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充.

（2）信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号： 水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制系统的主要反馈信号。

报警信号：它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

（3）控制系统

供水控制系统一般安装在供水系统柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。

供水控制器：它是整个变频恒压控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。

变频器：它是对水泵进行转速控制单元。变频器跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。

电控设备：它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换等。

(4)人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定。

（5）通讯接口

通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换。

（6）报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量实时反馈，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

控制系统程序设计系统的控制功能主要通过软件实现，根据系统的控制要求，该系统的控制程序主要包括以下几大部分5。

1、起动程序。

2、增/减泵程序。

为了恒定水压，泵组在运行过程中，须根据管网的压力变化而自动切换水泵电机的工作，而增/减泵的通知信号主要来自于变频器的FU和OL两个输出端的信号，但为了判断变频器工作频率达到上、下限值的确实性，应滤去偶然的频率波动引起的频率达到上、下限情况，

故程序中采取时间滤波，以保证提高增减泵的可靠性，另外，为了避免某一台泵由于连续运行时间过长而降低了泵的使用寿命部，应合理的安排泵的运行时间，故任一台泵连续变频运行不得超过3H。因此每次需启动新泵或切换变频泵时，应以新运行泵为变频泵。减泵时应按 “先开先停”的原则进行运行和退出。

3、保护程序

对系统的保护主要包括了系统的过载、欠压和水池水位下限等保护。过载和水位下限主要通过程序实现，而欠压保护则通过硬件实现，为了防止同一电机的两个接触器同时接通而造成对变频器的伤害，在程序和硬件接线上者体现了联锁保护功能的提高运行的可靠性。

4、变频器的关断与运行程序

每次启动新泵或切换变频泵时，应将正在运行的变频器上切除，并接上工频电源运行，且应将变频器复位并用于新运行泵的启动若有电源瞬时停电或故障的情况，则系统停机，待电源恢复正常或排除故障后，系统自动恢复到初始状态开始运行。

5、故障处理程序

故障处理程序主要包括水位下限故障、变频器运行故障处理程序及报警信号程序。

应用范围1、新建的住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水4。

2、高层建筑、消防用水、高级宾馆饭店等的生活供水。

3、气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。

4、各种锅炉冷水供水系统、锅炉热水。

5、自来水厂的中间加压泵站、自来水二次增压。

6、各工矿企业的生产、生活用水、管网稳压。

7、各种类型的循环水、冷却水供应系统。

8、自来水压力不能满足要求的生活、消防加压供水等。