持续供水
2021-01-07
变频器在恒压供水上的应用
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）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。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，从而达到压力稳定在设定的压力值上。
目前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技术，而系统的控制装置采用PLC控制器或专用的供水控制系统。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，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能，所以在一些高标准控制系统中被广泛使用。在市政供水管网中：自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市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。随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式已显现出极大的优越性。现特结合设计应用体会阐述如下：
一、系统基本情况
系统由变频器、数字调节器、可编程序控制器（PLC）、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。
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传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，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，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，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。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。
二、系统控制功能
1.水泵起停由PLC控制，可具备全循环软起动功能；
2.具有自动、手动切换和手动操作装置，不使用控制柜时，可用手工操作使水泵直接在工频下运行；
3.定时轮换功能：控制水泵（包括备用泵）周期性自动交换使用，使水泵寿命基本一致；
4.前端贮水池缺水后停泵保护，有故障显示功能；
5.供水系统中一般还设有一台小泵或气压罐，是为了适应小流量情况下（如夜间）的使用，系统能自动切换并控制（可选功能）；
6.具有自动用工频起动消防泵功能，或者自动变频以适应消防供水要求；
7.缺相、漏电、过载、瞬时断电保护等电气保护功能。
三、常用功能介绍
1.PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号(4-20mA或0-5V)直接送入PLC的输入口，输入信号同设定的压力值，通过PID比较计算后，确定需切换泵的数量和变频泵的运行频率，系统参数在实际运行中不断，使系统压力始终稳定在设定的范围内。
2.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)的情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，主泵停止工作(处于休眠状态)，休眠水泵启动，进行补水。 “休眠值”变频器输出的下限频率和“休眠确认时间”可通过变频器参数设置。当变频器的输出频率低于休眠值的时间时变频器继续工作，当变频器的输出频率高于休眠值的时间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时由PLC发出指令唤醒变频器工作。
2.通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC、变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用计算机与一套或多套系统进行通讯，利用计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等，也可以控制变频器的各类参数。此外该系统还具有手动/自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示、缺水保护等功能。
四、工程应用
在工程设计中，首先应该确定要对哪些水泵进行变频控制，以便在PLC上预先进行程序设定。因为居住小区供水时变化系数较大，因此，在变频控制泵的选择上，一般应分以下几种情况来考虑：
1.用水量随时间变化较小时：每天24h连续供水，且用水低时工作泵的最大流量仍较大，这时可选用同型号同规格水泵，根据高峰用水量选取一用一备或多用一备方案，对全部水泵进行变频控制。
2.小区规模较大时：可采用恒速泵与变频调速泵联合工作方式供水，这时对恒速水泵采用软起动器来对其进行起、停控制，整个控制系统采用“变频 + 软起动固定控制”的模式，在PLC上减少控制点数，这无论从技术上、经济上、还是运行维护上来看，综合效果都会更佳。
3. 生活、消防泵合用的供水方式：某些安装了消防泵的小区，因设备长期备而不用，可靠性会降低，既增加了工程投资，资源利用率也低，这时可以使生活、消防泵合用。电气控制应该做到：在PLC上预先设定生活、消防两种工作压力值，平时作生活正常供水，设备运行在低水压状态，当发生火灾时，系统自动把水压切换到消防高压状态，管路上有能保证消防状态需要的压力、流量的装置。为考虑到选泵的经济合理，这种方式一般是在高低水压值相差不大的情况下采用。
五、经济效益分析
由前面变频节能原理我们知道：泵的功率P1、供水量Q1与泵转速n1，三者的关系如下式：
P1/P=(n1/n)3 Q1/Q=n1/n
式中：Q—额定流量，Q1—实际流量，P—额定流量的轴功率，P1—实际流量的轴功率，n—水泵的额定转速，n1—水泵的实际转速
因额定流量Q=100%时，n=100%，P=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=80%Q，N1=51.2%N，即可节电48.8%。
在实际中绝大部分系统中泵的选择均是按每天实际需求的最高峰来设计，一般选型的流量富裕在5％－15％之间。经过变频系统改造后，加上休眠小泵的使用，节能20％以上非常容易达到。由于其节电效果明显，所以系统收回投资快，能长期受益，且产生的社会效益也是非常巨大。
六、系统的其它优点
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势：
1.恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2.由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
3.水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。
4.实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
七、恒压供水使用的领域
1.自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）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。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，从而达到压力稳定在设定的压力值上。
目前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技术，而系统的控制装置采用PLC控制器或专用的供水控制系统。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，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能，所以在一些高标准控制系统中被广泛使用。在市政供水管网中：自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市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。随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高，加上居住小区推行一户一表供水以后，对市政管网供水的可靠性（压力、流量）要求越来越高，各种分散或集中加压设施也逐渐增多。在这些加压设施中，采用调节水池加上变频调速恒压供水系统（以下简称系统）变量供水方式已显现出极大的优越性。现特结合设计应用体会阐述如下：
一、系统基本情况
系统由变频器、数字调节器、可编程序控制器（PLC）、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。
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传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器（PLC）的输入模块，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，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，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。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。
二、系统控制功能
1.水泵起停由PLC控制，可具备全循环软起动功能；
2.具有自动、手动切换和手动操作装置，不使用控制柜时，可用手工操作使水泵直接在工频下运行；
3.定时轮换功能：控制水泵（包括备用泵）周期性自动交换使用，使水泵寿命基本一致；
4.前端贮水池缺水后停泵保护，有故障显示功能；
5.供水系统中一般还设有一台小泵或气压罐，是为了适应小流量情况下（如夜间）的使用，系统能自动切换并控制（可选功能）；
6.具有自动用工频起动消防泵功能，或者自动变频以适应消防供水要求；
7.缺相、漏电、过载、瞬时断电保护等电气保护功能。
三、常用功能介绍
1.PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号(4-20mA或0-5V)直接送入PLC的输入口，输入信号同设定的压力值，通过PID比较计算后，确定需切换泵的数量和变频泵的运行频率，系统参数在实际运行中不断，使系统压力始终稳定在设定的范围内。
2.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)的情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，主泵停止工作(处于休眠状态)，休眠水泵启动，进行补水。 “休眠值”变频器输出的下限频率和“休眠确认时间”可通过变频器参数设置。当变频器的输出频率低于休眠值的时间时变频器继续工作，当变频器的输出频率高于休眠值的时间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时由PLC发出指令唤醒变频器工作。
2.通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC、变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用计算机与一套或多套系统进行通讯，利用计算机同时可以监测：电流、电压、频率、转速、压力等，也可以控制变频器的各类参数。此外该系统还具有手动/自动操作，故障报警，运行状态，电流，电压、频率状态显示、缺水保护等功能。
四、工程应用
在工程设计中，首先应该确定要对哪些水泵进行变频控制，以便在PLC上预先进行程序设定。因为居住小区供水时变化系数较大，因此，在变频控制泵的选择上，一般应分以下几种情况来考虑：
1.用水量随时间变化较小时：每天24h连续供水，且用水低时工作泵的最大流量仍较大，这时可选用同型号同规格水泵，根据高峰用水量选取一用一备或多用一备方案，对全部水泵进行变频控制。
2.小区规模较大时：可采用恒速泵与变频调速泵联合工作方式供水，这时对恒速水泵采用软起动器来对其进行起、停控制，整个控制系统采用“变频 + 软起动固定控制”的模式，在PLC上减少控制点数，这无论从技术上、经济上、还是运行维护上来看，综合效果都会更佳。
3. 生活、消防泵合用的供水方式：某些安装了消防泵的小区，因设备长期备而不用，可靠性会降低，既增加了工程投资，资源利用率也低，这时可以使生活、消防泵合用。电气控制应该做到：在PLC上预先设定生活、消防两种工作压力值，平时作生活正常供水，设备运行在低水压状态，当发生火灾时，系统自动把水压切换到消防高压状态，管路上有能保证消防状态需要的压力、流量的装置。为考虑到选泵的经济合理，这种方式一般是在高低水压值相差不大的情况下采用。
五、经济效益分析
由前面变频节能原理我们知道：泵的功率P1、供水量Q1与泵转速n1，三者的关系如下式：
P1/P=(n1/n)3 Q1/Q=n1/n
式中：Q—额定流量，Q1—实际流量，P—额定流量的轴功率，P1—实际流量的轴功率，n—水泵的额定转速，n1—水泵的实际转速
因额定流量Q=100%时，n=100%，P=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=80%Q，N1=51.2%N，即可节电48.8%。
在实际中绝大部分系统中泵的选择均是按每天实际需求的最高峰来设计，一般选型的流量富裕在5％－15％之间。经过变频系统改造后，加上休眠小泵的使用，节能20％以上非常容易达到。由于其节电效果明显，所以系统收回投资快，能长期受益，且产生的社会效益也是非常巨大。
六、系统的其它优点
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势：
1.恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2.由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。
3.水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。
4.实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。
七、恒压供水使用的领域
1.自来水供水、生活小区及消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。
