變頻器在高壓給水設備恒壓供水中的應用

1　引言　 

    高壓給水設備供水系統是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，基建投資多，而 主要的缺點(diǎn)是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。高壓給水設備變頻調速技術(shù)是一種新型成熟的交流電機無(wú)極調速技術(shù)，它以其 優(yōu)良的控制性能被廣泛應用于速度控制領(lǐng)域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特別 需要，對恒壓供水壓力有著(zhù)嚴格的要求，因而變頻調速技術(shù)得到了更加深入的應用。高壓給水設備恒壓供水方式技術(shù)先進(jìn)、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節約電能、自動(dòng)化程度高，在高壓給水設備供水中可完成以下功能：

（1）維持水壓恒定；

（2）控制系統可手動(dòng)/自動(dòng)運行；

（3）多臺泵自動(dòng)切換運行；

（4）系統睡眠與喚醒。當外界停止用水時(shí)，系統處于睡眠狀態(tài)，直至有用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒；

（5）在線(xiàn)調整PID參數； 

（6）泵組及線(xiàn)路保護檢測報警，信號顯示等。 

    將管網(wǎng)的實(shí)際壓力經(jīng)反饋后與給定壓力進(jìn)行比較，當管網(wǎng)壓力不足時(shí)，變頻器增大輸出頻率，水泵轉速加快，供水量增加，迫使管網(wǎng)壓力上升。反之水泵轉速減慢，供水量減小，管網(wǎng)壓力下降，保持恒壓供水。 

 

2　高壓給水設備系統硬件構成　　 

    高壓給水設備系統采用壓力傳感器、PLC和變頻器作為中心控制裝置，實(shí)現所需功能。 

    安裝在管網(wǎng)干線(xiàn)上的壓力傳感器，用于檢測管網(wǎng)的水壓，將壓力轉化為4～20 mA的電流信號，提供給PLC與變頻器。 

　　變頻器是水泵電機的控制設備，能按照水壓恒定需要將0～50 Hz的頻率信號供給水泵電機，調整其轉速。ACS變頻器功能強大，預置了多種應用宏，即預先編置好的參數集，應用宏將使用過(guò)程中所需設定的參數數量減小到較小，參數的缺省值依應用宏的選擇而不同。系統采用PID控制的應用宏，進(jìn)行閉環(huán)控制。該宏提供了6個(gè)輸入信號：?jiǎn)?dòng)/停止（DI1、DI5）、模擬量給定（AI1）、實(shí)際值（AI2）、控制方式選擇（DI2）、恒速（DI3）、允許運行（DI4）；3個(gè)輸出信號：模擬輸出（頻率）、繼電器輸出1（故障）、繼電器輸出2（運行）；DIP開(kāi)關(guān)選擇輸入0～10 V電壓值或0～20 mA電流值（系統采用電流值）。變頻器根據給定值AI1和實(shí)際值AI2，即根據恒壓時(shí)對應的電壓設定值與從壓力傳感器獲得的反饋電流信號，利用PID控制宏自動(dòng)調節，改變頻率輸出值來(lái)調節所控制的水泵電機轉速，以保證管網(wǎng)壓力恒定要求。 

　　根據泵站供水實(shí)際情況與需求，利用一臺變頻器控制3臺水泵，因此除改變水泵電機轉速外，還要通過(guò)增減運行泵的臺數來(lái)維持水壓恒定，當運行泵滿(mǎn)工頻抽水仍達不到恒壓要求時(shí)，要投入下一臺泵運行。反之，當變頻器輸出頻率降至較小，壓力仍過(guò)高時(shí)，要切除一臺運行泵。所以不僅需要開(kāi)關(guān)量控制，還需數據處理能力，采用FX－4AD（4模擬量入）獲得模擬量信號。它在應用上的一個(gè)重要特征就是由PLC自動(dòng)采樣，隨時(shí)將模擬量轉換為數字量，放在數據寄存器中，由數據處理指令調用，并將計算結果隨時(shí)放在指定的數據接觸器中。通過(guò)其可將壓力傳感器電流信號和變頻器輸出頻率信號轉換為數字量，提供給PLC[1>，與恒壓對應電流值、頻率上限、頻率下限（考慮到水泵電機在低速運行時(shí)危險， 須保證其頻率不低于 20Hz，因此頻率上限設為工頻50Hz，下限設為20Hz）進(jìn)行比較，實(shí)現泵的切換與轉速的變化。 

　　高壓給水設備系統在設計時(shí)應使水泵在變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換過(guò)程盡可能快，以保證供水的連續性，水壓波動(dòng)盡可能小，從而提高供水質(zhì)量。但元件動(dòng)作過(guò)程太快，會(huì )有回流損壞變頻器。為了防止故障的發(fā)生，硬件上 須設置閉鎖保護，即1Q與4Q，2Q與5Q，3Q與6Q不能同時(shí)閉合。 

 

3　高壓給水設備系統軟件設計　　 

　　控制系統軟件是指用梯形圖語(yǔ)言編制的對3臺泵進(jìn)行控制的程序。它對3臺泵的控制，主要解決 系統的手動(dòng)及自動(dòng)切換、各元件和參數的初始化、信號及通訊數據的預處理、3臺泵的啟動(dòng)、切換及停止的條件、順序、過(guò)程等問(wèn)題。 

　　當變頻器輸出頻率達到頻率上限，供水壓力未達到預設值時(shí)，發(fā)出加泵信號，投入下1臺泵供水。當供水壓力達到預設值，變頻器輸出頻率降到頻率下限時(shí)，發(fā)出減泵信號，切除在工頻運行方式中的1臺泵。系統剛啟動(dòng)時(shí)，情況簡(jiǎn)單，首先啟動(dòng)一號泵即可。但考慮3 臺泵聯(lián)合運行時(shí)情況復雜，任1臺或2臺泵可能正在工頻自動(dòng)方式下運行，而其他泵則可能在變頻器控制下運行，因此 須預先設定增減水泵的順序。即獲得加泵信號后，按照1號泵、2號泵、3號泵的順序優(yōu)先考慮。獲得減泵信號后，按照3號泵、2號泵、1號泵的順序優(yōu)先考慮。 

　　為了防止故障的發(fā)生，軟件上也 須設置保護程序，保證1Q與4Q、2Q與5Q、3Q與6Q不能同時(shí)閉合。在加減泵時(shí) 須設置元件動(dòng)作順序及延時(shí)，防止誤動(dòng)作發(fā)生。 

　　考慮到系統工作環(huán)境對運行狀態(tài)的影響，在設計中采用硬件、軟件上的雙重濾波來(lái)消除干擾的影響。硬件上變頻器提供了濾波時(shí)間常數，當模擬輸入信號變化時(shí)，63％的變化發(fā)生在所定義的時(shí)間常數中；軟件上采用數字濾波的方式，系統采用平均值的方法[2>。 

 

4　高壓給水設備系統參數的確定　　 

　　系統變頻運行主要靠變頻器來(lái)實(shí)現。變頻器有一數量很大的參數群，初始情況下，只有所謂的基本參數可以看到。只需設定簡(jiǎn)單的幾個(gè)參數，變頻器就可以工作。 

　　除基本參數外，還 須對完整參數進(jìn)行設定?！　?nbsp;

　　完整參數的設定主要是PID參數的整定，它是按照工藝對控制性能的要求，決定調節器的參數Kp，TI，TD。 

　　變頻器根據偏差調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時(shí)，調節幅度加快，隨著(zhù)偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統達到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，維持系統的恒壓穩定狀態(tài)[3、4>。 

 

5　試驗結果　　 

　　由于系統的顯示和通訊功能，可以對系統工作情況進(jìn)行監測?？紤]到管網(wǎng)覆蓋面積大，泵站海拔高度相對低，遠端供水壓力需維持3kg，因此泵站出水口壓力 須維持5kg。試驗條件為管網(wǎng)初始無(wú)壓力，電磁閥控制一定量相同用水情況下啟動(dòng)系統。獲得的數據經(jīng)MATLAB進(jìn)行插值擬合可得系統在不同條件下跟蹤壓力變化的曲線(xiàn)。 

　　試驗記錄的數據顯示，系統在未進(jìn)行濾波和PID控制時(shí)，響應速度特別慢、誤差大、振蕩嚴重。在未進(jìn)行濾波而引入數字PID控制時(shí)，響應速度明顯加快，但振蕩問(wèn)題未能得到解決，這是由于喘振現象的存在；當管道壓力與設定值近似相當時(shí)，水錘效應影響明顯，壓力波動(dòng)異常，PID的參數跟蹤整定，形成惡性循環(huán)，管道中空氣的存在也會(huì )導致振蕩問(wèn)題。 

　　該系統是按照工業(yè)生產(chǎn)需求設計的，實(shí)現了預定的一系列功能，保證了系統的穩定和安全性，在長(cháng)時(shí)間運行中取得了良好的效果。只需作相應修改就可推廣到相關(guān)供水系統中。

 

高壓供水設備介紹

      高壓供水設備是長(cháng)沙中贏(yíng)供水公司技術(shù)部科研人員新進(jìn)研制的無(wú)負壓變頻調速給水設備，系為解決傳統生活供水系統中，水泵的直接接入自來(lái)水管網(wǎng)產(chǎn)生的負壓?jiǎn)?wèn)題而開(kāi)發(fā)的，型號為中贏(yíng)系列無(wú)負壓變頻給水設備（管網(wǎng)調節增壓設備）。該產(chǎn)品不但解決了地下水池的二次污染問(wèn)題，還可以和純凈水設備配套，直接作為飲用水的增壓設備，可以在任何一個(gè)需要管網(wǎng)增壓的供水系統中使用。該系列產(chǎn)品獲得多項實(shí)用新型國家專(zhuān)利。

 

高壓供水設備特點(diǎn)

1、 節電節水

      高壓供水設備采用變頻進(jìn)行軟起動(dòng)，避免了電流沖擊。同時(shí)是因實(shí)現恒壓控制，也避免了對管網(wǎng)的沖擊，延長(cháng)了管路及閥門(mén)的壽命。傳統的水池二次加壓供水方式將自來(lái)水放入水池，使原有的自來(lái)水稀放為零，浪費了自來(lái)水的原有壓力能。

      該設備利用調節裝置與自來(lái)水管網(wǎng)聯(lián)接可充分利用管網(wǎng)的壓力能，節電可達到50%~90%。

2、 消除了地下水池的二次污染

      傳統的水池二次加壓供水方式將自來(lái)水放入水池，水池的水易于被贓物甚至動(dòng)物尸體所污染，尤其在夏天易產(chǎn)生藻類(lèi)或滋生蚊蟲(chóng)，直接影響到用戶(hù)的身體健康。該設備利用調節裝置采用封閉式供水方式，消除了二次污染。

3、 節省投資，減少占地，安裝、使用、檢修方便

      建造水池，工程總投資大，并且使用過(guò)程中要定期清洗，不但增加了工程的總投資，還增加了日常的維護費用。該設備利用調節裝置供水，節省投資，減少占地，根據用戶(hù)的現場(chǎng)情況可以采用立式或臥式不同的安裝方式，檢修方便。

4、 采用PID閉環(huán)調節，恒壓精度高，水壓波動(dòng)小。

5、 具有過(guò)載，短路，過(guò)流等各種自動(dòng)保護功能。

6、 自動(dòng)化程度高，運行可靠，管理方便。

 

高壓供水設備工作原理

1、 微機設定給水泵工作壓力，即用戶(hù)用水壓力。生活給水時(shí)，設備運行在低壓變頻狀態(tài)，由變頻器時(shí)刻監控管網(wǎng)壓力，對反饋值和設定值進(jìn)行運算和比較計算，若網(wǎng)管壓力高于用戶(hù)所需壓力（設定壓力）則自動(dòng)減少輸出頻率，從而使泵的轉速減少，出水量減少。若管網(wǎng)壓力低于用戶(hù)所需壓力（設定壓力）則自動(dòng)增加輸出頻率。從而使泵的轉速增加，出水量增加，當一臺泵運行滿(mǎn)足不了用戶(hù)需要時(shí)，其它各臺泵自動(dòng)投入，以保證用戶(hù)的使用壓力。

2、 當自來(lái)水管網(wǎng)的壓力升高到達與用戶(hù)使用壓力時(shí)候，變頻器經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后便降低轉速直到停機，只有當壓力降到某一設定壓力值時(shí)，變頻器才重新開(kāi)始工作。變頻泵組的工作只是滿(mǎn)足用戶(hù)的用水壓力與管網(wǎng)壓力之差，大大節約了電能。

3、 當流量調節器內壓力低于一個(gè)大氣壓時(shí)，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動(dòng)打開(kāi)，使氣體進(jìn)入流量調節器內，消除負壓。當流量調節器內壓力升高時(shí)，又可以將多余的氣體排出流量調節器外，使流量調節器內蓄滿(mǎn)水，以備下次用水高峰期時(shí)使用。當流量調節器內蓄滿(mǎn)水后，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動(dòng)關(guān)閉，防止溢流。

 

高壓供水設備工作過(guò)程

1、 管網(wǎng)壓力高于或等于用戶(hù)壓力時(shí) 當自來(lái)水壓力高于用戶(hù)使用壓力時(shí)，旁路止回閥導通，由自來(lái)水直接供給用戶(hù)用水。 用戶(hù)壓力高于或等于設定壓力，變頻設備不運行，水泵處于停機狀態(tài)。

2、 管網(wǎng)壓力低于用戶(hù)壓力時(shí) 變頻設備開(kāi)始運行，水泵處于開(kāi)始運轉。

A、 管網(wǎng)流量大于等于用戶(hù)用水量時(shí)

若流量調節器內有空氣則壓力升高，又可以將多余的氣體排出流量調節器外。使流量調節器內蓄滿(mǎn)水以備下次用水高峰期時(shí)使用。當流量調節器內蓄滿(mǎn)水后，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動(dòng)關(guān)閉，防止溢流。流量調節器內壓力恢復至自來(lái)水管網(wǎng)壓力。 若流量調節器內沒(méi)有空氣，流量調節器內壓力保持自來(lái)水管網(wǎng)壓力。 水泵提升壓力為用戶(hù)用水壓力—管網(wǎng)壓力

B、 管網(wǎng)流量小于用戶(hù)用水量時(shí)

流量調節器內壓力降低，當流量調節器內壓力低于一個(gè)大氣壓時(shí)，安裝在流量調節器頂的負壓消除器自動(dòng)打開(kāi)，使氣體進(jìn)入流量調節器內，消除負壓。流量調節器內壓力降為零。流量調節器內的水與自來(lái)水的流入水共同提供給用戶(hù)用水。流量調節器內儲備水補償的是用戶(hù)用水與管網(wǎng)流量之差。 水泵提升壓力為用戶(hù)用水壓力。

 

高壓供水設備產(chǎn)品性能指標

      中贏(yíng)系列高壓供水設備（管網(wǎng)調節增壓設備）是采用先進(jìn)的設計技術(shù)自行開(kāi)發(fā)研制的新型供水設備。具有變量恒壓，供水壓力精度高的顯著(zhù)特點(diǎn)，即在壓力不變的前提下，流量從零到較大工作流量范圍內，供水壓力變化范圍在±0.01Mpa以?xún)?，可消除對自?lái)水管網(wǎng)生產(chǎn)負壓的現象，提高了生活給水系統的可靠性；占地面積小，節省建設投資，安裝使用維護方便；是適合用于工業(yè)及民用建筑生活系統的理想給水設備。

高壓供水設備（管網(wǎng)調節增壓設備）主要指標如下：

流量范圍：2.4m3/h—300m3/h

壓力范圍：0Mpa—1.6Mpa；（可調）

轉速范圍：0-1450r/min或0-2950r/min；（可調）

 

高壓供水設備選型說(shuō)明

      高壓供水設備的選型是根據用戶(hù)自來(lái)水管線(xiàn)、壓力與流量，用戶(hù)實(shí)際用水量、建筑物的高度等數據來(lái)確定的，設備表用的調節器容積時(shí)按照自來(lái)水流量滿(mǎn)足要求的情況下估算的，如果自來(lái)水管路很細，流量不能滿(mǎn)足用水高峰期的用水要求，需要重新計算調節器的容積，推薦公式如下：

V容積=（Q出—Q進(jìn)）△t

Q進(jìn)=一天較高用水高峰期自來(lái)水進(jìn)水量

Q出=一天較高用水高峰期用戶(hù)用水量

t=較大用水高峰期持續時(shí)間