全自动恒压供水系统是如何实现恒压变频供水的？

 

      前言：用户用水的多少及流量是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

      全自动恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用全自动恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

      随着电力技术的发展，变频调速技术的日益完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，变频器拖动水泵启动平稳，启动电流远小于设备额定电流，从而避免了设备起动时对电网产生的冲击；由于水泵的平均转速降低了，从而可延长水泵和阀门等设备的使用寿命，减少设备的维护量；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式以及完备的控制和保护功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率运行的目的。

一、 全自动恒压供水系统原理概述

　　全自动恒压供水变流量供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与单片机、可编程控制器（PLC）或工业控制计算机（IPC）等控制单元构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。

　　全自动恒压供水系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入到控制单元的CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。

　　随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前全自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频调速技术，而系统的控制单元多采用PLC，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，与触摸屏计算机联网可完成系统运行工况现场的动态画面显示、多种故障报警模式及报表打印等功能。现在先进的PLC大多具有标准的工业快速网络通讯接口，可做为智能控制终端与供水系统的上位管理或控制计算机进行实时通讯上传系统所有数据，这样就为系统使用方针对系统的优化控制和管控一体化预留了很大的技术空间，也为供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。

 

二、 全自动恒压供水系统控制方案：

　　在高层楼宇或生活小区的供水管网系统中由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：ΔP=KQ2；式中K为系数。

　　设定PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应为：P=PL+ΔP= PL+ KQ2；此时可满足用户用水的需求压力值又可以达到最佳的节能效果。因此供水系统的设定压力值应根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒定值而泵站出口总管压力连续可调。

　　典型的全自动恒压供水系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能。系统通过安装在出水总管上的压力变送器和流量传感器实时将压力和流量非电量信号转换为标准电流弱电信号，输入到系统控制单元—PLC的模拟信号输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算得出最佳的运行工况参数，由PLC的输出模块输出逻辑控制指令和控制变频器输出频率的信号值控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。全自动恒压供水系统可根据用户终端用户用水量的变化，自动控制泵组水泵的循环运行以提高系统的稳定性及供水的质量。

　　考虑到高层楼宇存在生活供水和消防供水两组管网，我们在进行高层楼宇全自动恒压供水系统设计和施工时，可根据用户的实际需要设计综合控制系统，一般来说控制系统有两种控制实现手段：1、将两套系统的控制合二为一，即生活供水分部的压力、流量传感变送单元检测管网过程信号转换为保证电流信号传输至控制单元由控制单元控制管网维持恒压变流运行，当遇到紧急情况需要进行消防供水时，控制单元检测到传输过来的自动消防运行指令或由人工操作运行将消防供水回路打开，同时变频器切换至拖动消防水泵运行（系统先将消防供水回路的电动阀门打开或人工开启手动阀门），此时生活供水回路暂停运行；2、两套系统分开控制和运行，生活供水控制系统依旧如前所述，消防供水控制系统与消防报警控制系统联网，一旦消防报警控制系统检测到险情，则消防供水控制系统立即开始运行，同时发送指令到生活供水控制系统将该系统立即停止，运行的方式可以设计为单独的消防供水变频器拖动水泵自动或手动运行。

 

三、 全自动恒压供水系统功能

　　※自动切换变频/工频运行功能

　　变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：

　　方式A：基本工作方式

　　变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率控制其他辅助泵启停，即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵，由此控制增减工频运行泵的台数。

　　方式B：交替方式

　　变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率使辅助泵工频运行，此方式与方式A不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2→泵1。

　　方式C：直接方式

　　当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。

　　※PID的调节功能

　　由压力变送器和液位变送器反馈的水压弱电信号(4～20mA)直接送入PLC的A/D模块，系统设定好给定压力值和PID参数值，并通过PLC计算何时需切换泵的操作从而完成系统控制。系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。

　　※“休眠”功能

　　系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚）情况，为了达到节能的目的，系统可以设置使水泵暂停工作的“休眠”功能。以三台泵举例，当变频器频率输出低于其设定的频率下限值同时时间超过系统设定值时，变频器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（处于休眠状态）。当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2＃泵或3＃泵，当频率到达一定值后将启动1＃泵调节2＃或3＃泵的转速。

　　“休眠值”可以利用变频器的“输出下限频率”功能来设置。系统“休眠确认时间”用PLC或变频器的功能设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间例如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值且时间超过系统设定值时由PLC发出指令唤醒变频器工作。在一般用户场合经验值为：“休眠值”为10HZ；“休眠确认时间”td为20s；“唤醒值”为70%、20S。

　　※运行特征：

　　以三台水泵的全自动恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力恒定；当用水量Q在1/3Qmax

　　※通讯功能

　　系统具有与计算机通讯的功能，PLC和变频器均提供有RS485接口和总线网络通讯接口，如果增加触摸屏式人机界面或工业控制计算机就可以形成一个完整的管控网并可以与上级网络进行实时通讯。

增加了计算机的系统除控制功能外还可以实现以下功能：

　　※宣传介绍：可以对公司、现场或系统提供方的概况、项目性质及联系方式等进行图文、FLASH、影像或三维动画等形式的展示。

　　※电气动作图：根据系统中的各电器元件做相应的动画图形，直观反映变频器的启/停状态、接触器的吸合/断开状态、PLC触点动作功能指示及泵组内水泵的运行/停止状态等。

※监控画面：可显示变频器的工作频率、电压、电流等参数；管网的设定压力及实际压力；系统的全貌图/工艺流程图/拓扑示意图等。

　　※系统维护：可编制相应的系统说明手册，对系统及各部件的注意事项及维护等做相应的介绍并支持打印输出。

　　※故障分析：可通过动画、文字、闪烁灯光（或辅以PLC配置的模拟式声光报警装置提醒操作人员）、灯光颜色标志等方式显示系统的故障报警状态以及相应的处理方式。

　　※留言板：通过在POD上留言可以为交接班做记录，增加了系统的管理手段；

※时钟校正：可随时调整时钟以及系统的时间参数，便于实现分时控制及系统内控制程序中的循环切换启动/停止时间；

　　※功能曲线：日/月/年水压变化曲线。

 

四、 全自动恒压供水系统经济效益分析及系统优点：

　　1、经济效益分析：

　　根据流体力学原理可知：变量泵的功率P1、供水量Q1与泵转速n1三者的关系如下式：

　　P1/Q1=(n1/n)3

　　Q1/Q=n1/n

　　式中：Q为额定流量；Q1

　　P1为额定流量时的电机轴功率；

　　n为水泵的额定转速。

　　额定流量Q=100%时，n=100%，若n1=90%n时，Q1=90%Q；P1=72.9%P，即可节电27.1%。若n1=80%n时，Q1=100%Q；P1=51.2%P，即可节电48.8%。

　　当然以上的公式和计算方法为理论值，在实际运行的现场影响节能效率的因素有很多如：管损、水泵运行状态、变频器选型情况（变频器输出频率精度、变频器控制方式等）、控制程序合理性、PID参数稳定性等。在以上因素为正常合理的情况下，全自动根据我们的经验，变流量恒压供水控制系统的节能效率一般在30％以上。

　　2、系统优点：

　　恒压供水技术因采用变频器改变电机的电源频率而达到调节水泵转速从而改变水泵出口压力，这种方式比靠调节阀门控制水泵出口压力的方式具有节能效果显著、降低管道阻力、大大减少截留损失的优点。

　　由于变量泵工作在变频运行状态，当其出口流量小于额定流量时，泵的运行转速小于额定转速，这样就减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电机的机械使用寿命，大大减少了设备的维护工作量和费用。

　　系统由于实现了全自动恒压控制，无需专门的操作人员操作，大大降低了操作人员的劳动强度，节省了人力资源，同时大大提升了系统自动化控制和管理的水平。

　　每一台水泵的启动方式为软启动方式，按照变频器设定的加减速时间进行升降速避免了电机工频启动时的电流冲击而造成的对电网的冲击，同时也避免了电机突然加速致使泵产生“喘振”现象。

由于变量泵工作在变频控制状态，其运行转速是由供水量所决定的，故系统在运行过程中可节约相当可观的电能，其经济效益是非常明显的。由于全自动恒压变流量供水控制系统节能效果显著，因此系统投资回收期短（一般在18个月以下），而系统的长期收益和其带来的社会效益也是非常可观的。

　　【附录】变频器选型参考

　　随着变频器的大力推广和逐步普及，市场上的变频器品牌纷繁复杂，每个品牌又包含多种类型和型号。根据我们多年从事变频调速技术的推广和应用的经验，我们认为使用方选择变频器做为交流拖动执行机构，应该考虑以下几点：

　　1、变频器的品牌和性价比；

　　2、该品牌在中国市场的市场份额和发展趋势；

　　3、该品牌变频器在相同应用行业或相同设备上的成功应用业绩；

　　4、提供该品牌变频器企业的技术服务力量（包括对变频器技术的认知程度、以变频器为核心搭建控制系统的能力；对变频器所应用设备或系统的熟悉程度、现场调试的能力和经验、技术移交和培训的能力以及售后服务的能力等）。

　　根据我们长期从事变频器和自动化控制系统的经验总结，我们特提出相应的变频器选型参考意见：

　　★变频器的输出电流波形应为全数控式脉宽调制正弦波（SPWM）。在任何负荷和转速都应不须接驳任何外置矫正电容器而保证在基波上输出单一功率（注释：电机工作状态稳定，延长电机使用寿命，减少设备维护量）。

　　★变频器应能在输入电源发生瞬间断电故障或暂停后立即进行保护，同时并记忆存储故障信息，当系统恢复供电时变频器应能立即在全频段范围内跟踪电机转速自动启动或根据现场设备需要随意设定启动方式（注释：确保在要求设备不间断运行时所必须的功能尤其是对应消防供水系统）。

　　★变频器的载波/调制频率（脉宽调制正弦波频率）应可以在最大和最小范围内任意调整，用户可根据现场设备的抗干扰性能和电网的实际情况任意调整参数（注释：变频器的载波频率有可能会对一些仪器仪表和精密电子设备造成一定程度的干扰，为将变频器对外的电磁辐射干扰降至最低或最合理的状态，载波频率值必须可以在现场根据情况任意设置）。

　　★变频器对输入电源电压的变化范围要求应越宽越好（至少在-10%～+10% 以上），并在电压高低限状态下均可输出标称的额定容量（电流、电压、转矩等）（注释：由电网电压不稳定所造成的变频器输出参数的紊乱而导致系统出现故障是比较频繁发生的情况，尤其是变压器容量较小或农网供电的情况，故该功能非常重要）。

　　★变频器应能接收控制系统外部输入的各种标准弱电模拟电信号（如 0～5V、0～10V、 0～10mA、 4～20mA）并能输出标准弱电电压、电流、脉冲等模拟信号及多个开关量输出端子（其中必须包括变频器故障报警输出常开/常闭干接点）。另外变频器还应具备RS-232 、RS-485（鉴于一般的运行现场需要较长通讯距离，接口最好为 RS-485）和现场总线网络通讯接口（如：Profibus、Modbus等）为系统进行监视、控制及管理、控制升级预留接口（注释：变频器的最终定义为：接收上位控制核心的信号控制下端负载的智能执行机构，这就要求变频器必须具备这些接口和可升级的硬件和技术空间）。

　　★变频器应具备软件或端子锁，在所有参数设定好并经过系统正式运行检验后可加锁以防止操作人员误操作或非相关人员的随意更改参数而导致的变频器故障，如确实需要调整参数可由专业工程技术人员操作（注释：由于误操作导致变频器或设备出现故障是非常可惜的，而且做为设备管理部门无法定性考核，所以该功能非常实用）。

　　★变频器控制系统内变频器及电机的工作噪音应在允许的范围内降至最低（一般为80dB以下）（注释：降低设备工作噪音是新环保概念所必须的）。

　　★由于有时变频器运行现场距控制室有一定距离，这时变频器需要远程控制，变频器应在允许的距离范围内（40米以下）输出额定的电压、电流及转矩（注释：40米这个指标是多年来在大量应用场合时间总结出来的，低于这个指标会增加使用方的变频器设备采购成本，高于这个指标变频器的成本增加）。

　　★做为一些重要使用场合变频器的运行可靠性指标对于整个系统而言非常关键。根据我们的经验，一般要求变频器在选型正确和不更换器件情况下的无故障运行时间应大于50000工作小时（注释：一般情况下变频器最易老化和损坏的器件是散热风扇和电解电容，而这两类产品的性能指标很多变频器在说明手册和宣传资料中无法找到或提供方回避这个问题）。

　　★有些场合需要就地安装设备并进行远程监视和控制，这就要求变频器的操作器应该具备可以移至控制中心的功能便于控制人员监控，而变频器的操作器与变频器本体的连接电缆不应为传统的多股排线或多芯专用护套电缆而应为现在非常普及并易于购买和制作制作的网络线，这样便于敷设和维护（注释：用网络线做为变频器操作器和本体的连接电缆是变频器行业势在必行的行业统一标准，这是对变频器内部通讯模式和软件控制技术向通用计算机技术靠拢的一次革命）。