■ 河北省邯鄲市自來水公司 盧濤

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備，所以，此技術(shù)用在對原有系統(tǒng)的改造過程中，既可以體現(xiàn)變頻控制恒壓供水的優(yōu)勢，又可以盡量保留原有的設(shè)備，有效的節(jié)省了大量的資金，并且可以保證系統(tǒng)的可靠的運行。

恒壓供水的基本思路

采用電機調(diào)速裝置控制水泵組調(diào)速運行，并自動調(diào)整水泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)能的目的。系統(tǒng)任意設(shè)定供水壓力值，其與反饋總管的實際壓力值通過PID調(diào)節(jié)后控制調(diào)速裝置，以調(diào)節(jié)水泵機組的運行速度，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水壓力。

恒壓供水技術(shù)采用的調(diào)速裝置基本上都是變頻調(diào)速器。而系統(tǒng)控制器的選用經(jīng)過了單板機，單片機、溫控器、可編程序控制器（PLC）的發(fā)展過程。PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)目前是恒壓供水控制的主流，它以可靠性高、編程簡便、靈活性強、系統(tǒng)自動化程度高等諸多優(yōu)點而受到普遍歡迎。PLC不僅可以實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，并可完成水泵組的監(jiān)控、自動抽真空、自動抽剩余水等一系列控制功能，并可實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，以達到最佳的節(jié)電效果。

在中小型水廠的管網(wǎng)系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量由用戶的用水量決定。泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點的用戶的用水要求為前提。而管網(wǎng)從泵站到壓力最不利點的壓力損失（△H）和流量（Q）之間存在著如下關(guān)系：

△H=k Q2

設(shè)HST為壓力最不利點所需要的最低壓力，則泵站出口總管壓力H按下式的關(guān)系供水，則可滿足用戶的要求，又有最佳的節(jié)電效果：

H=HST+△H=HST+K Q2

因此，供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力應(yīng)該根據(jù)流量的變化而改變較為合理。這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水。采用這種方式供水時系統(tǒng)必須檢測泵站的出水流量，在我國目前的情況下，流量計的穩(wěn)定性、可靠性和準確性都不高，用流量作為控制量會對系統(tǒng)的控制性能和可靠性產(chǎn)生較大的影響。因此這種調(diào)節(jié)方法在實際工程中應(yīng)用較少。但流量變化的規(guī)律基本上可以掌握，因此在大多數(shù)場合，都采用時鐘控制器定時自動改變設(shè)定壓力的方法來近似流量的變化規(guī)律。實踐證明這種分時可變恒壓供水的方法可以達到比較理想的控制效果。

在有些場合，考慮到停電時的供水問題，采用恒壓供水系統(tǒng)后還需要保留高位水池。這種情況下由于管網(wǎng)不是全封閉的，不能根據(jù)管網(wǎng)流量的變化來確定供水壓力。一般根據(jù)經(jīng)驗確定一個比較合適的供水或根據(jù)高位水池的水位高低來調(diào)節(jié)供水壓力。

由于變頻器價格比較昂貴，在恒壓供水技術(shù)改造時，一般采用一臺調(diào)速泵和多臺恒速泵并聯(lián)運行。當(dāng)管網(wǎng)流量變化時，采用開停恒速泵進行大調(diào)，利用調(diào)速泵進行細調(diào)。調(diào)速泵選擇泵站中的大泵，使調(diào)節(jié)范圍較大。恒速泵的功率以小于調(diào)速泵額定功率的三分之二大于調(diào)速泵額定功率的二分之一為好，這樣既可以保證調(diào)速泵運行于高效區(qū)，以提高調(diào)速泵的運行效率，又可以保證調(diào)速泵有較寬的調(diào)節(jié)區(qū)域，以減少恒速泵的開停。

應(yīng)用實例

下面以某水廠的PLC控制全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)為例，來介紹系統(tǒng)的組成、功能和控制效果。

水廠二級泵站中有三臺階25KW大泵和兩臺132KW小泵。每臺泵的出口配有電動閥。原系統(tǒng)機組由自耦變壓器降壓啟動裝置啟動運行。管網(wǎng)中有一個兩千立方米的高位水池。

1．系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由變頻器、PLC和低壓電氣元件組成。系統(tǒng)與原系統(tǒng)的自耦變壓器降壓啟動裝置及閥門控制器組成一個整體對五臺機組進行自動控制。功能如下：

A．五臺泵可在任何時候選擇進入或退出本控制系統(tǒng)。變頻器可對三臺大泵軟啟動調(diào)速運行，由PLC控制變頻/工頻切換。兩臺小泵可自動通過啟動柜投入系統(tǒng)運行。變頻運行機組和對應(yīng)的啟動柜實現(xiàn)可靠的電氣和軟件互鎖以保證系統(tǒng)的安全運行。

B．系統(tǒng)根據(jù)總管道的實際壓力變化，自動調(diào)節(jié)變頻器運行頻率，自動改變投入系統(tǒng)運行的機組，以跟蹤設(shè)定壓力。設(shè)定壓力可根據(jù)時鐘控制器或高位水池水位的變化來調(diào)節(jié)。

C．系統(tǒng)有自動/手動切換功能，和原系統(tǒng)互為備用。

D．系統(tǒng)根據(jù)“先開泵后開閥，先關(guān)閥后停泵”的原則對泵出口電動閥門的開關(guān)實現(xiàn)自動控制。

E．系統(tǒng)設(shè)有超水壓、欠水壓、變頻故障、閥門故障、清水池溢出等故障的聲光報警指示和電壓、電流、水位、設(shè)定壓力、反饋壓力、閥門開關(guān)狀態(tài)的指示。

2.基本控制原理

圖2為系統(tǒng)控制原理框圖。

PLC作為整個系統(tǒng)的核心控制部件，完成模擬量的采樣、運算和輸出，并完成控制系統(tǒng)的開停、大泵的變頻/工頻切換、小泵的自動投切、各種工況的監(jiān)控以及各種故障的檢測、判斷、處理和報警等任務(wù)。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定壓力與反饋壓力的偏差，通過PI調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號來控制作變頻運行的機組的運行轉(zhuǎn)速，從而改變泵的出水流量來達到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。當(dāng)設(shè)定壓力大于總管道的出水壓力時，變頻泵的運行頻率會不斷提高。當(dāng)變頻器的運行頻率達到點50HZ，系統(tǒng)便開始計時。如果200秒內(nèi)變頻泵的運行頻率一直維持在50HZ運行，系統(tǒng)便會自動加泵。加泵時先加小泵，若系統(tǒng)中無小泵可加或已有一臺小泵運行時，便會加大泵。加泵時，對于同容量的機組，以先切除先投入為原則。加大泵時，原來作變頻運行的機組切換到工頻運行，后加入的機組由變頻器軟起動并作變頻運行。

當(dāng)設(shè)定壓力小于總管出水壓力時，變頻器運行頻率會不斷下降。當(dāng)變頻器的運行頻率小于設(shè)定的減泵下限頻率時，系統(tǒng)開始計時。如果15.0秒內(nèi)變頻器的運行頻率一直維持在系統(tǒng)設(shè)定的減泵下限頻率以下，系統(tǒng)便自動減一臺泵。減泵時以先投入先切除為原則，先減小泵再減大泵。系統(tǒng)中沒有作工頻運行的泵時。系統(tǒng)不作減泵操作。

系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時，保證任何時候有一臺大泵作變頻運行。如果系統(tǒng)剛運行或原變頻機組由自動轉(zhuǎn)手動而使系統(tǒng)中沒有機組作變頻運行，系統(tǒng)將先尋找處于自動狀態(tài)下且沒有運行的大機組作變頻運行。如果沒有這樣的機組，系統(tǒng)便會去尋找一臺處于自動狀態(tài)下作工頻運行的機組，將其停機后再變頻起動運行。這兩種狀態(tài)的機組都沒找到，說明所有大泵均處于手動狀態(tài)，系統(tǒng)會一直等待，直到有大泵由手動投入自動系統(tǒng)。

3.控制方式

系統(tǒng)根據(jù)壓力設(shè)定方法的不同，有兩種工作方式，可供用戶選擇：

1）分時控制方式。系統(tǒng)根據(jù)日供水量的變化規(guī)律，分時段由三檔壓力供水。時段的劃分由用戶完成，并存入PLC中。PLC中設(shè)有時鐘控制器，可根據(jù)時間自動切換不同設(shè)定壓力檔。根據(jù)冬天和夏天供水量變化規(guī)律的不同，時段的劃分也已作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。三檔壓力的設(shè)定值可由操作人員通過電位器方便地調(diào)整。時段劃分如下：

夏季——七、八、九月（夏季用水高峰）

Ⅰ檔壓力：05：00—09：00、11：00—15：00、17：00—24：00（夏季用水量較多時）

Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、15：00—17：00

Ⅲ檔壓力：00：00—05：00（夏季用水量較少時）

冬季——除七、八、九月以外的時間（冬季用水量偏少）

Ⅰ檔壓力：06：00—09：00、11：00—14：00、17：00—22：00（冬季用水量較多時）

Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、14：00—17：00、22：00—24：00

Ⅲ檔壓力：23：00—06：00（冬季用水量較多時）

2）水位調(diào)節(jié)方式。系統(tǒng)的壓力設(shè)定值由Ⅰ檔壓力設(shè)定電位器來調(diào)節(jié)，并根據(jù)清水池的水位按以下規(guī)律作修正：

P=P-H/Ho(Po - PMIN)

式中： P——實際設(shè)定壓力值

Po——I檔壓力設(shè)定電位器的設(shè)定值（供水壓力上限設(shè)定值）

H——水池實際水位高度

Ho——水池水位上限設(shè)定值

PMIN ——供水壓力下限設(shè)定值

當(dāng)水池水位增高時，實際供水壓力會隨之下降，水池水位達到上限時，供水壓力達到壓力下限（此時管網(wǎng)的水應(yīng)該揚不到水池中）。反之，當(dāng)水池水位降低時，實際供水壓力會隨之升高，水池水位高度為零時，供水壓力達到壓力上限。對水池水位實現(xiàn)自動監(jiān)控，省去了原來的值班人員。

本系統(tǒng)使生產(chǎn)自動化程度大大提高，操作方便，工人勞動強度大大降低。由于系統(tǒng)智能程度高，功能齊全。給系統(tǒng)的維護和檢修也帶來了極大的方便。運行穩(wěn)定可靠，供水質(zhì)量明顯提高，可使用戶投訴減少。由于供水壓力穩(wěn)定，調(diào)整方便，有效地控制了由供水壓力過高引起的管漏和爆管現(xiàn)象。據(jù)運行數(shù)據(jù)測算，節(jié)電效果非常顯著，噸水單耗省電達20%，有很好的經(jīng)濟效益。

目前中小型泵站的控制設(shè)備普遍比較落后，自動化程度低下，工人的素質(zhì)相對較低。根據(jù)現(xiàn)狀和我國對這類水廠的技改要求，在中小型水廠應(yīng)用PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，由于其技術(shù)先進、自動化程度高、可靠性高、操作簡便、投資回報快、節(jié)能效果好等優(yōu)點而成為大勢所趨。

[1]劉洪濤.PLC應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐[M] 電子工業(yè)出版社2007

[2]王耀德．變頻器及相關(guān)電機的技術(shù)發(fā)展[J]電工技術(shù) 1999

[3]張春霞.變頻調(diào)速及PLC技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]礦業(yè)快報，2004，（10）