劉嬌月，楊聚慶，王光民

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南南陽 473009；2.河南紅宇企業(yè)集團有限責任公司，河南鄭州 451450）

1 引言

傳統(tǒng)的供水方式采用水塔、高位水箱或氣壓罐式增壓設備，這些設備占地面積大、成本高;還不可避免地存在二次污染的問題，越來越不能滿足現(xiàn)代化的供水和人們對生活水品質的要求。同時，采用傳統(tǒng)的供水方式很難保證供水的實時性，不能根據(jù)用水量的變化調整泵流量，必然造成能源的浪費和過高的設備故障率。

為了滿足節(jié)約能源、提高設備壽命的需要，采用變頻方式維持管網(wǎng)壓力恒定的成套供水控制裝置已逐步取代傳統(tǒng)的供水方式，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全、高品質的供水質量等優(yōu)點，在生產、生活、消防等各個領域得到了廣泛應用。恒壓供水變頻系統(tǒng)通過水泵電機無級變速，根據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，達到維持恒定供水壓力的目的，使其成為先進合理的節(jié)能型供水裝置。隨著自動控制和電力電子技術的飛速發(fā)展，智能型控制器件和變頻裝置的功能也越來越強。充分利用各種先進技術，合理設計變頻恒壓供水設備，對降低成本、節(jié)約能源、提高供用水質量有著非常重要的意義。

2 恒壓供水系統(tǒng)組成

在供水系統(tǒng)中，為滿足用戶對流量的需求，系統(tǒng)的基本控制對象是流量。動態(tài)情況下，管道中水壓p的大小與供水流量Qg和用水需求量Qu之間的平衡情況如下：當供水能力Qg＞用水需求Qu，則壓力上升（p↑）；當供水能力Qg＜用水需求Qu，則壓力下降（p↓）；當供水能力Qg ＝用水需求Qu，則壓力不變（p＝常數(shù)）。

可見，保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，就保證了該處的供水能力和用水流量的平衡，滿足了用戶所需的用水流量。

變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖如圖1所示。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器,把出口壓力信號送入控制器,經(jīng)運算與給定的壓力進行比較,得出一個比較參數(shù),送給變頻器,由變頻器控制電機的轉速,調節(jié)系統(tǒng)的供水量,使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力;當用水量超過一臺泵的供水量時,通過PLC控制切換器進行加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對水泵的調速,實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時,輸入電機的電壓和頻率也隨之變化,這樣就構成了以設定壓力值為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中變頻器的作用是利用電機的無級調速,提供適合的管網(wǎng)水壓。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓,壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需求的水壓期望值。

3 恒壓供水變頻調速控制系統(tǒng)設計與應用

圖1 恒壓供水系統(tǒng)框圖

某居民生活小區(qū)共有10棟樓，均為7層建筑，總居住560戶，根據(jù)相關計算與標準表查詢，用水量標準為0.19m3／人·日，每小時最大用水量為105m3／h。要求提供適合的水壓調節(jié)和控制，實現(xiàn)供水管網(wǎng)自動、節(jié)能、恒壓供水。

3.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用“一臺變頻器控制多臺水泵”的多臺水泵控制方案，由樓層高度計算供水壓力值為0.36 Mpa，選用三臺水泵并聯(lián)供水。為節(jié)約設備投資，只用一臺變頻器控制三臺水泵協(xié)調工作，即“一控三”技術。選用SAMCO-vm05變頻器，內置PID調節(jié)器和SWS供水控制基板。變頻控制系統(tǒng)組成如圖2所示，系統(tǒng)可根據(jù)供水管網(wǎng)瞬時壓力變化自動調節(jié)單臺水泵的轉速和多臺水泵的投入及退出，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設定壓力值，并滿足用戶的流量要求，使整個系統(tǒng)始終保持在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。同時可實現(xiàn)恒壓變量、雙恒壓變量等多種啟?？刂品绞?，該系統(tǒng)可以根據(jù)任意修改參數(shù)指令（如壓力設定值、控制順序、控制電機數(shù)量、壓力上下限、PID值、加減速時間等）來實現(xiàn)不同控制方式之間的切換。

圖2 變頻控制系統(tǒng)組成

在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)。將PID調節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調試非常容易，不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節(jié)器采用了優(yōu)化算法，因此使水壓的調節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失真，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調試非常簡單、方便。

變頻控制系統(tǒng)組成如圖2所示?？筛鶕?jù)用戶需要任意設定供水壓力，給定壓力通過操作面板設置；用于反饋壓力的傳感器采用遠傳壓力表（電路中的P），使用時將遠傳壓力表與變頻器直接相連，性價比高。

選用水泵型號為65LG36-20×2，水泵自帶電動機功率7.5kW,選用SAMCO-vm05變頻器SPF-7.5K，容量7.5kW，內置有PID調節(jié)器，配接SWS供水基板。利用變頻器內PID控制，比較給定壓力信號和反饋信號的大小，輸出相應的0-10V電壓控制信號，自動控制水泵進行調速運行。

圖3 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制電路圖

SWS備有8個可驅動AC250V繼電器的接點輸出，最大可對應7臺電機（水泵），可直接驅動電磁接觸器RY1-RY8，通過其ON、OFF狀態(tài)來控制電機啟停，本系統(tǒng)中設置3臺電機。可由接點信號從外部來選擇水泵，便于設備維修，還可作為多功能繼電器輸出。顯示變頻器各種運轉狀態(tài)的接點信號可以輸出到RY3-RY8的6個通道中。

3.2 控制過程分析

如圖3所示為變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的控制電路圖。該控制電路可以實現(xiàn)變頻、工頻轉換控制運行，KM0、KM2、KM4控制三臺電機的變頻運行，KM1、KM3、KM5控制電動機的工頻運行；SA為選擇開關，系統(tǒng)用戶可方便地進行自動運轉和手工運轉的切換。

調速過程：先啟動變頻泵，管網(wǎng)水壓達到設定值時，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。而當用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入變頻器PID控制器，經(jīng)過變頻器運算，輸出頻率增大，水泵的轉速提高，水壓上升。反之，當用水量減少，水壓增高時，變頻器的輸出頻率減小，水泵轉速降低，水壓下降。

增泵控制流程：當用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時水壓仍然不足，經(jīng)過短暫的延時，將M1切換為工頻工作，同時變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運行。當M2也達到額定頻率而水壓仍不足時，重復開始運行時的過程，水泵M2脫離變頻器驅動，由工頻供電全速運行，變頻器驅動水泵M3變頻運行，使水壓恒定在設定值上。

減泵控制流程：當用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時，但管網(wǎng)壓力仍偏高時，則各泵將按照先開先停方式依次退出運行。

泵切換流程：當水泵運行一定時間后（CD169、CD170為上下限頻率持續(xù)時間，即增減泵判斷時間，可以設定），無需專人值守，能自動切換到下一臺水泵工作，避免長期運行損耗或長期不工作銹死，大大減少了開泵、切換和停泵次數(shù)，減少了對設備的沖擊，延長使用壽命；定時泵的切換功能使各泵的運轉時間均一化，從而抑制了水泵的設備劣化。

3.3 系統(tǒng)保護

系統(tǒng)具有完善的電氣安全保護措施，對過流、過壓、欠壓、過載斷水等均能自行診斷并報警。如當由市電工頻電源驅動電機時，電機回路中串接有熱敏繼電器進行過載保護；使用電磁接觸器觸點互鎖功能，防止變頻器和市電切換時，驅動雙方的電磁接觸器同時接通損壞變頻器；設置瞬時停電互鎖保護中間繼電器KM*及低水位保護中間繼電器RD。其中KM*是為了進行手動-自動電路之間的互鎖并在發(fā)生瞬時停電時起作用（停電時，KM*線圈失電，使輔助觸電切換，MBS與DCM接通，運轉中的電機空轉停止）；RD是當電路自動工作變頻運行時，防止儲水池水位過低，水泵抽不到水而進行保護的。（當水池水位低于要求值時，與RD線圈串聯(lián)的OM觸點斷開，RD失電，使FR與DCM斷路，水泵電機停轉。同時MBS與DCM接通，運轉中的電機全部停止。）

變頻器的主要功能參數(shù)設置如表1所示。

4 系統(tǒng)節(jié)能效益分析

從流體力學原理可知，水泵供水流量與電機轉速及電機功率有如下關系：

以上三式中：Q為供水流量；H為揚程；P為電機軸功率；n為電機轉速。

本設計系統(tǒng)共有3臺7.5kW的水泵電機，假設按每天運行16小時，其中4小時為額定轉速運行，其余12小時為80%額定轉速運行，一年365天節(jié)約電能為：

若每1kW·h電價為0.60元，一年可節(jié)約電費：

可見，對傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進行改造，按現(xiàn)在的市場價格，一年即可收回投資，運行經(jīng)濟效益十分可觀。

5 結束語

由于采用了變頻器內置PID算法控制輸出和SWS供水控制基板，與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，該恒壓變頻供水系統(tǒng)具有清潔性高、節(jié)省能源、操作方便、自動化程度高、供水調峰能力較高、使用壽命長、節(jié)能效果好的優(yōu)點。系統(tǒng)無需高位水箱、壓力罐，節(jié)約了原材料，降低了投資，既可以用于生產、生活用水，也可用于熱水供應、恒壓噴淋等系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。

表1 變頻器的主要功能參數(shù)設置

［1］王廷才.變頻器原理及應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013，156-186.

［2］石秋潔.變頻器應用基礎［M］.北京：高等職業(yè)技術教育，2003，91-110.

［3］宋 爽，周樂挺.變頻技術及應用［M］.北京：高等職業(yè)技術教育，2008，173-194.

［4］三 墾.變頻器系列供水控制基板SWS使用說明書.三墾力達電氣（江陰）有限公司，2010，1-34.

［5］三 墾.SANCO-vm05變頻器A型、B型、C型基本功能使用說明書.三墾力達電氣（江陰）有限公司，2002.

［6］馬 林，劉嬌月.流量控制變頻調速系統(tǒng)在實驗教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2011，30（8）：236-237.