全自動(dòng)恒壓供水系統是如果實(shí)現恒壓變頻供水的？

 

前言：用戶(hù)用水的多少及流量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。

      全自動(dòng)恒壓供水系統對于某些工業(yè)或特殊用戶(hù)是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時(shí)使產(chǎn)品報廢和設備損壞。又如發(fā)生火災時(shí)，若供水壓力不足或或無(wú)水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區采用全自動(dòng)恒壓供水系統，具有較大的經(jīng)濟和社會(huì )意義。

      隨著(zhù)電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調速技術(shù)的日益完善，以變頻調速為核心的智能供水控制系統取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，變頻器拖動(dòng)水泵啟動(dòng)平穩，啟動(dòng)電流遠小于設備額定電流，從而避免了設備起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊；由于水泵的平均轉速降低了，從而可延長(cháng)水泵和閥門(mén)等設備的使用壽命，減少設備的維護量；可以消除起動(dòng)和停機時(shí)的水錘效應。其穩定安全的運行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式以及完備的控制和保護功能，將使供水實(shí)現節水、節電、節省人力，最終達到高效率運行的目的。

 

一、 全自動(dòng)恒壓供水系統原理概述

　　全自動(dòng)恒壓供水變流量供水控制系統的基本控制策略是：采用電動(dòng)機調速裝置與單片機、可編程控制器（PLC）或工業(yè)控制計算機（IPC）等控制單元構成控制系統，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調速運行并自動(dòng)調整泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達到穩定供水壓力和節約電能的目的。

　　全自動(dòng)恒壓供水系統的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入到控制單元的CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機的投運臺數和運行變量泵電動(dòng)機的轉速，從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值上。

　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量、耐壓、特性和類(lèi)型等方面得到了很大的發(fā)展。進(jìn)入90年代電力電子器件向著(zhù)大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作為應用現代電力電子器件與微計算機技術(shù)有機結合的交流變頻調速裝置，隨著(zhù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)創(chuàng )新和推廣應用，使得交流異步電動(dòng)機調速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前全自動(dòng)恒壓供水系統應用的電動(dòng)機調速裝置均采用交流變頻調速技術(shù)，而系統的控制單元多采用PLC，因PLC不僅可實(shí)現泵組、閥門(mén)的邏輯控制，并可完成系統的數字PID調節功能，可對系統中的各種運行參數、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監控，與觸摸屏計算機聯(lián)網(wǎng)可完成系統運行工況現場(chǎng)的動(dòng)態(tài)畫(huà)面顯示、多種故障報警模式及報表打印等功能?，F在先進(jìn)的PLC大多具有標準的工業(yè)快速網(wǎng)絡(luò )通訊接口，可做為智能控制終端與供水系統的上位管理或控制計算機進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊上傳系統所有數據，這樣就為系統使用方針對系統的優(yōu)化控制和管控一體化預留了很大的技術(shù)空間，也為供水系統提供了現代化的調度、管理、監控及經(jīng)濟運行的手段。

 

二、 全自動(dòng)恒壓供水系統控制方案：

　　在高層樓宇或生活小區的供水管網(wǎng)系統中由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶(hù)用水量決定的，泵站供水的壓力以滿(mǎn)足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失ΔP和流量Q之間存在著(zhù)如下關(guān)系：ΔP=KQ2；式中K為系數。

　　設定PL為壓力最不利點(diǎn)所需的最低壓力，則泵站出口總管壓力P應為：P=PL+ΔP= PL+ KQ2；此時(shí)可滿(mǎn)足用戶(hù)用水的需求壓力值又可以達到最佳的節能效果。因此供水系統的設定壓力值應根據流量的變化而不斷修正設定值，這種恒壓供水技術(shù)稱(chēng)為變量恒壓供水，即供水系統最不利點(diǎn)的供水壓力為恒定值而泵站出口總管壓力連續可調。

　　典型的全自動(dòng)恒壓供水系統具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能。系統通過(guò)安裝在出水總管上的壓力變送器和流量傳感器實(shí)時(shí)將壓力和流量非電量信號轉換為標準電流弱電信號，輸入到系統控制單元—PLC的模擬信號輸入模塊，信號經(jīng)CPU運算處理后與設定的信號進(jìn)行比較運算得出最佳的運行工況參數，由PLC的輸出模塊輸出邏輯控制指令和控制變頻器輸出頻率的信號值控制泵站投運水泵的臺數及變量泵的運行工況，并實(shí)現對每臺水泵根據CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運行。全自動(dòng)恒壓供水系統可根據用戶(hù)終端用戶(hù)用水量的變化，自動(dòng)控制泵組水泵的循環(huán)運行以提高系統的穩定性及供水的質(zhì)量。

　　考慮到高層樓宇存在生活供水和消防供水兩組管網(wǎng)，我們在進(jìn)行高層樓宇全自動(dòng)恒壓供水系統設計和施工時(shí)，可根據用戶(hù)的實(shí)際需要設計綜合控制系統，一般來(lái)說(shuō)控制系統有兩種控制實(shí)現手段：1、將兩套系統的控制合二為一，即生活供水分部的壓力、流量傳感變送單元檢測管網(wǎng)過(guò)程信號轉換為保證電流信號傳輸至控制單元由控制單元控制管網(wǎng)維持恒壓變流運行，當遇到緊急情況需要進(jìn)行消防供水時(shí)，控制單元檢測到傳輸過(guò)來(lái)的自動(dòng)消防運行指令或由人工操作運行將消防供水回路打開(kāi)，同時(shí)變頻器切換至拖動(dòng)消防水泵運行（系統先將消防供水回路的電動(dòng)閥門(mén)打開(kāi)或人工開(kāi)啟手動(dòng)閥門(mén)），此時(shí)生活供水回路暫停運行；2、兩套系統分開(kāi)控制和運行，生活供水控制系統依舊如前所述，消防供水控制系統與消防報警控制系統聯(lián)網(wǎng)，一旦消防報警控制系統檢測到險情，則消防供水控制系統立即開(kāi)始運行，同時(shí)發(fā)送指令到生活供水控制系統將該系統立即停止，運行的方式可以設計為單獨的消防供水變頻器拖動(dòng)水泵自動(dòng)或手動(dòng)運行。

 

三、 全自動(dòng)恒壓供水系統功能

　　※自動(dòng)切換變頻/工頻運行功能

　　變頻器提供三種不同的工作方式供用戶(hù)選擇：

　　方式A：基本工作方式

　　變頻器始終固定驅動(dòng)一臺泵并實(shí)時(shí)根據其輸出頻率控制其他輔助泵啟停，即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時(shí)則停止最后啟動(dòng)的輔助泵，由此控制增減工頻運行泵的臺數。

　　方式B：交替方式

　　變頻器通常固定驅動(dòng)某臺泵，并實(shí)時(shí)根據其輸出頻率使輔助泵工頻運行，此方式與方式A不同之處在于若前一次泵啟動(dòng)的順序是泵1→泵2，當變頻器輸出停止時(shí)，下一次啟動(dòng)順序變?yōu)楸?→泵1。

　　方式C：直接方式

　　當啟信號輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)第一臺泵當該泵達到最高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動(dòng)下一臺泵變頻運行，相反當泵停止條件成立時(shí)，先停止最先啟動(dòng)的泵。

　　※PID的調節功能

　　由壓力變送器和液位變送器反饋的水壓弱電信號(4～20mA)直接送入PLC的A/D模塊，系統設定好給定壓力值和PID參數值，并通過(guò)PLC計算何時(shí)需切換泵的操作從而完成系統控制。系統參數在實(shí)際運行中調整，使系統控制響應趨于完整。

　　※“休眠”功能

　　系統運行時(shí)經(jīng)常會(huì )遇到用戶(hù)用水量較小或不用水（如夜晚）情況，為了達到節能的目的，系統可以設置使水泵暫停工作的“休眠”功能。以三臺泵舉例，當變頻器頻率輸出低于其設定的頻率下限值同時(shí)時(shí)間超過(guò)系統設定值時(shí)，變頻器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（處于休眠狀態(tài)）。當水壓繼續升高時(shí)將停止1泵，當水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運轉2＃泵或3＃泵，當頻率到達一定值后將啟動(dòng)1＃泵調節2?；?＃泵的轉速。

　　“休眠值”可以利用變頻器的“輸出下限頻率”功能來(lái)設置。系統“休眠確認時(shí)間”用PLC或變頻器的功能設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的時(shí)間例如小于休眠時(shí)間td時(shí)，即td＜tn時(shí)變頻器繼續工作，當td＞tn時(shí)變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)?！皢拘阎怠庇晒┧畨毫ο孪迒?dòng)，當供水壓力低于下限值且時(shí)間超過(guò)系統設定值時(shí)由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。在一般用戶(hù)場(chǎng)合經(jīng)驗值為：“休眠值”為10HZ；“休眠確認時(shí)間”td為20s；“喚醒值”為70%、20S。

　　※運行特征：

　　以三臺水泵的全自動(dòng)恒壓供水系統為例，系統在自動(dòng)運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動(dòng)1#泵，此時(shí)1#泵進(jìn)入變頻運行狀態(tài)，其轉速逐漸升高，當供水量Q<1/3Qmax時(shí)（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時(shí)的最大流量），可編程控制器CPU根據供水量的變化自動(dòng)調節1#泵的運行轉速，以保證所需的供水壓力恒定；當用水量Q在1/3Qmax

　　※通訊功能

　　系統具有與計算機通訊的功能，PLC和變頻器均提供有RS485接口和總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊接口，如果增加觸摸屏式人機界面或工業(yè)控制計算機就可以形成一個(gè)完整的管控網(wǎng)并可以與上級網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。

增加了計算機的系統除控制功能外還可以實(shí)現以下功能：

　　※宣傳介紹：可以對公司、現場(chǎng)或系統提供方的概況、項目性質(zhì)及聯(lián)系方式等進(jìn)行圖文、FLASH、影像或三維動(dòng)畫(huà)等形式的展示。

　　※電氣動(dòng)作圖：根據系統中的各電器元件做相應的動(dòng)畫(huà)圖形，直觀(guān)反映變頻器的啟/停狀態(tài)、接觸器的吸合/斷開(kāi)狀態(tài)、PLC觸點(diǎn)動(dòng)作功能指示及泵組內水泵的運行/停止狀態(tài)等。

※監控畫(huà)面：可顯示變頻器的工作頻率、電壓、電流等參數；管網(wǎng)的設定壓力及實(shí)際壓力；系統的全貌圖/工藝流程圖/拓撲示意圖等。

　　※系統維護：可編制相應的系統說(shuō)明手冊，對系統及各部件的注意事項及維護等做相應的介紹并支持打印輸出。

　　※故障分析：可通過(guò)動(dòng)畫(huà)、文字、閃爍燈光（或輔以PLC配置的模擬式聲光報警裝置提醒操作人員）、燈光顏色標志等方式顯示系統的故障報警狀態(tài)以及相應的處理方式。

　　※留言板：通過(guò)在POD上留言可以為交接班做記錄，增加了系統的管理手段；

※時(shí)鐘校正：可隨時(shí)調整時(shí)鐘以及系統的時(shí)間參數，便于實(shí)現分時(shí)控制及系統內控制程序中的循環(huán)切換啟動(dòng)/停止時(shí)間；

　　※功能曲線(xiàn)：日/月/年水壓變化曲線(xiàn)。

 

四、 全自動(dòng)恒壓供水系統經(jīng)濟效益分析及系統優(yōu)點(diǎn)：

　　1、經(jīng)濟效益分析：

　　根據流體力學(xué)原理可知：變量泵的功率P1、供水量Q1與泵轉速n1三者的關(guān)系如下式：

　　P1/Q1=(n1/n)3

　　Q1/Q=n1/n

　　式中：Q為額定流量；Q1

　　P1為額定流量時(shí)的電機軸功率；

　　n為水泵的額定轉速。

　　額定流量Q=100%時(shí)，n=100%，若n1=90%n時(shí)，Q1=90%Q；P1=72.9%P，即可節電27.1%。若n1=80%n時(shí)，Q1=100%Q；P1=51.2%P，即可節電48.8%。

　　當然以上的公式和計算方法為理論值，在實(shí)際運行的現場(chǎng)影響節能效率的因素有很多如：管損、水泵運行狀態(tài)、變頻器選型情況（變頻器輸出頻率精度、變頻器控制方式等）、控制程序合理性、PID參數穩定性等。在以上因素為正常合理的情況下，全自動(dòng)根據我們的經(jīng)驗，變流量恒壓供水控制系統的節能效率一般在30％以上。

　　2、系統優(yōu)點(diǎn)：

　　恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電機的電源頻率而達到調節水泵轉速從而改變水泵出口壓力，這種方式比靠調節閥門(mén)控制水泵出口壓力的方式具有節能效果顯著(zhù)、降低管道阻力、大大減少截留損失的優(yōu)點(diǎn)。

　　由于變量泵工作在變頻運行狀態(tài)，當其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的運行轉速小于額定轉速，這樣就減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(cháng)了泵和電機的機械使用壽命，大大減少了設備的維護工作量和費用。

　　系統由于實(shí)現了全自動(dòng)恒壓控制，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的操作人員操作，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強度，節省了人力資源，同時(shí)大大提升了系統自動(dòng)化控制和管理的水平。

　　每一臺水泵的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)方式，按照變頻器設定的加減速時(shí)間進(jìn)行升降速避免了電機工頻啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊而造成的對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也避免了電機突然加速致使泵產(chǎn)生“喘振”現象。

由于變量泵工作在變頻控制狀態(tài)，其運行轉速是由供水量所決定的，故系統在運行過(guò)程中可節約相當可觀(guān)的電能，其經(jīng)濟效益是非常明顯的。由于全自動(dòng)恒壓變流量供水控制系統節能效果顯著(zhù)，因此系統投資回收期短（一般在18個(gè)月以下），而系統的長(cháng)期收益和其帶來(lái)的社會(huì )效益也是非?？捎^(guān)的。

　　【附錄】變頻器選型參考

　　隨著(zhù)變頻器的大力推廣和逐步普及，市場(chǎng)上的變頻器品牌紛繁復雜，每個(gè)品牌又包含多種類(lèi)型和型號。根據我們多年從事變頻調速技術(shù)的推廣和應用的經(jīng)驗，我們認為使用方選擇變頻器做為交流拖動(dòng)執行機構，應該考慮以下幾點(diǎn)：

　　1、變頻器的品牌和性?xún)r(jià)比；

　　2、該品牌在中國市場(chǎng)的市場(chǎng)份額和發(fā)展趨勢；

　　3、該品牌變頻器在相同應用行業(yè)或相同設備上的成功應用業(yè)績(jì)；

　　4、提供該品牌變頻器企業(yè)的技術(shù)服務(wù)力量（包括對變頻器技術(shù)的認知程度、以變頻器為核心搭建控制系統的能力；對變頻器所應用設備或系統的熟悉程度、現場(chǎng)調試的能力和經(jīng)驗、技術(shù)移交和培訓的能力以及售后服務(wù)的能力等）。

　　根據我們長(cháng)期從事變頻器和自動(dòng)化控制系統的經(jīng)驗總結，我們特提出相應的變頻器選型參考意見(jiàn)：

　　★變頻器的輸出電流波形應為全數控式脈寬調制正弦波（SPWM）。在任何負荷和轉速都應不須接駁任何外置矯正電容器而保證在基波上輸出單一功率（注釋?zhuān)弘姍C工作狀態(tài)穩定，延長(cháng)電機使用壽命，減少設備維護量）。

　　★變頻器應能在輸入電源發(fā)生瞬間斷電故障或暫停后立即進(jìn)行保護，同時(shí)并記憶存儲故障信息，當系統恢復供電時(shí)變頻器應能立即在全頻段范圍內跟蹤電機轉速自動(dòng)啟動(dòng)或根據現場(chǎng)設備需要隨意設定啟動(dòng)方式（注釋?zhuān)捍_保在要求設備不間斷運行時(shí)所必須的功能尤其是對應消防供水系統）。

　　★變頻器的載波/調制頻率（脈寬調制正弦波頻率）應可以在最大和最小范圍內任意調整，用戶(hù)可根據現場(chǎng)設備的抗干擾性能和電網(wǎng)的實(shí)際情況任意調整參數（注釋?zhuān)鹤冾l器的載波頻率有可能會(huì )對一些儀器儀表和精密電子設備造成一定程度的干擾，為將變頻器對外的電磁輻射干擾降至最低或最合理的狀態(tài)，載波頻率值必須可以在現場(chǎng)根據情況任意設置）。

　　★變頻器對輸入電源電壓的變化范圍要求應越寬越好（至少在-10%～+10% 以上），并在電壓高低限狀態(tài)下均可輸出標稱(chēng)的額定容量（電流、電壓、轉矩等）（注釋?zhuān)河呻娋W(wǎng)電壓不穩定所造成的變頻器輸出參數的紊亂而導致系統出現故障是比較頻繁發(fā)生的情況，尤其是變壓器容量較小或農網(wǎng)供電的情況，故該功能非常重要）。

　　★變頻器應能接收控制系統外部輸入的各種標準弱電模擬電信號（如 0～5V、0～10V、 0～10mA、 4～20mA）并能輸出標準弱電電壓、電流、脈沖等模擬信號及多個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出端子（其中必須包括變頻器故障報警輸出常開(kāi)/常閉干接點(diǎn)）。另外變頻器還應具備RS-232 、RS-485（鑒于一般的運行現場(chǎng)需要較長(cháng)通訊距離，接口最好為 RS-485）和現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊接口（如：Profibus、Modbus等）為系統進(jìn)行監視、控制及管理、控制升級預留接口（注釋?zhuān)鹤冾l器的最終定義為：接收上位控制核心的信號控制下端負載的智能執行機構，這就要求變頻器必須具備這些接口和可升級的硬件和技術(shù)空間）。

　　★變頻器應具備軟件或端子鎖，在所有參數設定好并經(jīng)過(guò)系統正式運行檢驗后可加鎖以防止操作人員誤操作或非相關(guān)人員的隨意更改參數而導致的變頻器故障，如確實(shí)需要調整參數可由專(zhuān)業(yè)工程技術(shù)人員操作（注釋?zhuān)河捎谡`操作導致變頻器或設備出現故障是非?？上У?，而且做為設備管理部門(mén)無(wú)法定性考核，所以該功能非常實(shí)用）。

　　★變頻器控制系統內變頻器及電機的工作噪音應在允許的范圍內降至最低（一般為80dB以下）（注釋?zhuān)航档驮O備工作噪音是新環(huán)保概念所必須的）。

　　★由于有時(shí)變頻器運行現場(chǎng)距控制室有一定距離，這時(shí)變頻器需要遠程控制，變頻器應在允許的距離范圍內（40米以下）輸出額定的電壓、電流及轉矩（注釋?zhuān)?0米這個(gè)指標是多年來(lái)在大量應用場(chǎng)合時(shí)間總結出來(lái)的，低于這個(gè)指標會(huì )增加使用方的變頻器設備采購成本，高于這個(gè)指標變頻器的成本增加）。

　　★做為一些重要使用場(chǎng)合變頻器的運行可靠性指標對于整個(gè)系統而言非常關(guān)鍵。根據我們的經(jīng)驗，一般要求變頻器在選型正確和不更換器件情況下的無(wú)故障運行時(shí)間應大于50000工作小時(shí)（注釋?zhuān)阂话闱闆r下變頻器最易老化和損壞的器件是散熱風(fēng)扇和電解電容，而這兩類(lèi)產(chǎn)品的性能指標很多變頻器在說(shuō)明手冊和宣傳資料中無(wú)法找到或提供方回避這個(gè)問(wèn)題）。

　　★有些場(chǎng)合需要就地安裝設備并進(jìn)行遠程監視和控制，這就要求變頻器的操作器應該具備可以移至控制中心的功能便于控制人員監控，而變頻器的操作器與變頻器本體的連接電纜不應為傳統的多股排線(xiàn)或多芯專(zhuān)用護套電纜而應為現在非常普及并易于購買(mǎi)和制作制作的網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)，這樣便于敷設和維護（注釋?zhuān)河镁W(wǎng)絡(luò )線(xiàn)做為變頻器操作器和本體的連接電纜是變頻器行業(yè)勢在必行的行業(yè)統一標準，這是對變頻器內部通訊模式和軟件控制技術(shù)向通用計算機技術(shù)靠攏的一次革命）。