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一、 原理概述
恒壓變流量供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是：采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與單片機(jī)、可編程控制器（PLC）或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）等控制單元構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。
系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)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(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。
隨著電力電子技術(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大容量、高頻率、響應(yīng)快、低損耗的方向發(fā)展。作為應(yīng)用現(xiàn)代電力電子器件與微計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的交流變頻調(diào)速裝置，隨著產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新和推廣應(yīng)用，使得交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場(chǎng)巨大的技術(shù)革命。目前自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置均采用交流變頻調(diào)速技術(shù)，而系統(tǒng)的控制單元多采用PLC，因PLC不僅可實(shí)現(xiàn)泵組、閥門的邏輯控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字PID調(diào)節(jié)功能，可對(duì)系統(tǒng)中的各種運(yùn)行參數(shù)、控制點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，與觸摸屏計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)可完成系統(tǒng)運(yùn)行工況現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)畫面顯示、多種故障報(bào)警模式及報(bào)表打印等功能�，F(xiàn)在先進(jìn)的PLC大多具有標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的上位管理或控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊上傳系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)，這樣就為系統(tǒng)使用方針對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化控制和管控一體化預(yù)留了很大的技術(shù)空間，也為供水系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的調(diào)度、管理、監(jiān)控及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的手段。
下圖為典型的恒壓變流量控制系統(tǒng)示意圖：
二、 控制方案：
在高層樓宇或生活小區(qū)的供水管網(wǎng)系統(tǒng)中由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶用水量決定的，泵站供水的壓力以滿足管網(wǎng)中壓力最不利點(diǎn)的壓力損失ΔP和流量Q之間存在著如下關(guān)系：ΔP=KQ2；式中K為系數(shù)。
設(shè)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(yīng)為：P=PL+ΔP= PL+ KQ2；此時(shí)可滿足用戶用水的需求壓力值又可以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力值應(yīng)根據(jù)流量的變化而不斷修正設(shè)定值，這種恒壓供水技術(shù)稱為變量恒壓供水，即供水系統(tǒng)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(xù)可調(diào)。
典型的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)具有控制水泵出口總管壓力恒定、變流量供水功能。系統(tǒng)通過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(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流弱電信號(hào)，輸入到系統(tǒng)控制單元—PLC的模擬信號(hào)輸入模塊，信號(hào)經(jīng)CPU運(yùn)算處理后與設(shè)定的信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算得出最佳的運(yùn)行工況參數(shù)，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(hào)值控制泵站投運(yùn)水泵的臺(tái)數(shù)及變量泵的運(yùn)行工況，并實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵根據(jù)CPU指令實(shí)施軟啟動(dòng)、軟切換及變頻運(yùn)行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶終端用戶用水量的變化，自動(dòng)控制泵組水泵的循環(huán)運(yùn)行以提高系統(tǒng)的穩(wěn)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?cè)谶M(jìn)行高層樓宇全自動(dòng)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工時(shí)，可根據(jù)用戶的實(shí)際需要設(shè)計(jì)綜合控制系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)控制系統(tǒng)有兩種控制實(shí)現(xiàn)手段：1、將兩套系統(tǒng)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(cè)管網(wǎng)過程信號(hào)轉(zhuǎn)換為保證電流信號(hào)傳輸至控制單元由控制單元控制管網(wǎng)維持恒壓變流運(yùn)行，當(dāng)遇到緊急情況需要進(jìn)行消防供水時(shí)，控制單元檢測(cè)到傳輸過來(lái)的自動(dòng)消防運(yùn)行指令或由人工操作運(yùn)行將消防供水回路打開，同時(shí)變頻器切換至拖動(dòng)消防水泵運(yùn)行（系統(tǒng)先將消防供水回路的電動(dòng)閥門打開或人工開啟手動(dòng)閥門），此時(shí)生活供水回路暫停運(yùn)行；2、兩套系統(tǒng)分開控制和運(yùn)行，生活供水控制系統(tǒng)依舊如前所述，消防供水控制系統(tǒng)與消防報(bào)警控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，一旦消防報(bào)警控制系統(tǒng)檢測(cè)到險(xiǎn)情，則消防供水控制系統(tǒng)立即開始運(yùn)行，同時(shí)發(fā)送指令到生活供水控制系統(tǒng)將該系統(tǒng)立即停止，運(yùn)行的方式可以設(shè)計(jì)為單獨(dú)的消防供水變頻器拖動(dòng)水泵自動(dòng)或手動(dòng)運(yùn)行。
三、 系統(tǒng)功能
※自動(dòng)切換變頻/工頻運(yùn)行功能
變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：
方式A：基本工作方式
變頻器始終固定驅(qū)動(dòng)一臺(tái)泵并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率控制其他輔助泵啟停，即當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最大頻率時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)輔助泵工頻運(yùn)行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)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(yùn)行泵的臺(tái)數(shù)。
方式B：交替方式
變頻器通常固定驅(qū)動(dòng)某臺(tái)泵，并實(shí)時(shí)根據(jù)其輸出頻率使輔助泵工頻運(yùn)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(dāng)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(dāng)啟信號(hào)輸入時(shí)變頻器啟動(dòng)第一臺(tái)泵當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時(shí)，變頻器將該泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器啟動(dòng)下一臺(tái)泵變頻運(yùn)行，相反當(dāng)泵停止條件成立時(shí)，先停止最先啟動(dòng)的泵。
※PID的調(diào)節(jié)功能
由壓力變送器和液位變送器反饋的水壓弱電信號(hào)(4～20mA)直接送入PLC的A/D模塊，系統(tǒng)設(shè)定好給定壓力值和PID參數(shù)值，并通過PLC計(jì)算何時(shí)需切換泵的操作從而完成系統(tǒng)控制。系統(tǒng)參數(shù)在實(shí)際運(yùn)行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
※“休眠”功能
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到用戶用水量較小或不用水（如夜晚）情況，為了達(dá)到節(jié)能的目的，系統(tǒng)可以設(shè)置使水泵暫停工作的“休眠”功能。以三臺(tái)泵舉例，當(dāng)變頻器頻率輸出低于其設(shè)定的頻率下限值同時(shí)時(shí)間超過系統(tǒng)設(shè)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(dāng)水壓繼續(xù)升高時(shí)將停止1泵，當(dāng)水壓下降到一定值時(shí)將先啟動(dòng)變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)2＃泵或3＃泵，當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動(dòng)1＃泵調(diào)節(jié)2＃或3＃泵的轉(zhuǎn)速。
“休眠值”可以利用變頻器的“輸出下限頻率”功能來(lái)設(shè)置。系統(tǒng)“休眠確認(rèn)時(shí)間”用PLC或變頻器的功能設(shè)置，當(dāng)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(xù)工作，當(dāng)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(dāng)供水壓力低于下限值且時(shí)間超過系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。在一般用戶場(chǎng)合經(jīng)驗(yàn)值為：“休眠值”為10HZ；“休眠確認(rèn)時(shí)間”td為20s；“喚醒值”為70%、20S。
※運(yùn)行特征：
以三臺(tái)水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)供水量Q<1/3Qmax時(shí)（Qmax為三臺(tái)水泵全部工頻運(yùn)行時(shí)的最大流量），可編程控制器CPU根據(jù)供水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)1#泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以保證所需的供水壓力恒定；當(dāng)用水量Q在1/3Qmax<Q<Q時(shí)系統(tǒng)反相控制，如超過系統(tǒng)設(shè)定的低流量參數(shù)和時(shí)間值則系統(tǒng)進(jìn)入“休眠”狀態(tài)。
※通訊功能
系統(tǒng)具有與計(jì)算機(jī)通訊的功能，PLC和變頻器均提供有RS485接口和總線網(wǎng)絡(luò)通訊接口，如果增加觸摸屏式人機(jī)界面或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)就可以形成一個(gè)完整的管控網(wǎng)并可以與上級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。
增加了計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)除控制功能外還可以實(shí)現(xiàn)以下功能：
※宣傳介紹：可以對(duì)公司、現(xiàn)場(chǎng)或系統(tǒng)提供方的概況、項(xiàng)目性質(zhì)及聯(lián)系方式等進(jìn)行圖文、FLASH、影像或三維動(dòng)畫等形式的展示。
※電氣動(dòng)作圖：根據(jù)系統(tǒng)中的各電器元件做相應(yīng)的動(dòng)畫圖形，直觀反映變頻器的啟/停狀態(tài)、接觸器的吸合/斷開狀態(tài)、PLC觸點(diǎn)動(dòng)作功能指示及泵組內(nèi)水泵的運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)等。
※監(jiān)控畫面：可顯示變頻器的工作頻率、電壓、電流等參數(shù)；管網(wǎng)的設(shè)定壓力及實(shí)際壓力；系統(tǒng)的全貌圖/工藝流程圖/拓?fù)涫疽鈭D等。
※系統(tǒng)維護(hù)：可編制相應(yīng)的系統(tǒng)說(shuō)明手冊(cè)，對(duì)系統(tǒng)及各部件的注意事項(xiàng)及維護(hù)等做相應(yīng)的介紹并支持打印輸出。
※故障分析：可通過動(dòng)畫、文字、閃爍燈光（或輔以PLC配置的模擬式聲光報(bào)警裝置提醒操作人員）、燈光顏色標(biāo)志等方式顯示系統(tǒng)的故障報(bào)警狀態(tài)以及相應(yīng)的處理方式。
※留言板：通過在POD上留言可以為交接班做記錄，增加了系統(tǒng)的管理手段；
※時(shí)鐘校正：可隨時(shí)調(diào)整時(shí)鐘以及系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制及系統(tǒng)內(nèi)控制程序中的循環(huán)切換啟動(dòng)/停止時(shí)間；
※功能曲線：日/月/年水壓變化曲線。
四、 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：
1、經(jīng)濟(jì)效益分析：
根據(jù)流體力學(xué)原理可知：變量泵的功率P1、供水量Q1與泵轉(zhuǎn)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<Q；
P1為額定流量時(shí)的電機(jī)軸功率；
n為水泵的額定轉(zhuǎn)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(jié)電27.1%。若n1=80%n時(shí)，Q1=100%Q；P1=51.2%P，即可節(jié)電48.8%。
當(dāng)然以上的公式和計(jì)算方法為理論值，在實(shí)際運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)影響節(jié)能效率的因素有很多如：管損、水泵運(yùn)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(shù)穩(wěn)定性等。在以上因素為正常合理的情況下，全自動(dòng)根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，變流量恒壓供水控制系統(tǒng)的節(jié)能效率一般在30％以上。
2、系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：
恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電機(jī)的電源頻率而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯贸隹趬毫Γ@種方式比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方式具有節(jié)能效果顯著、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(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速，這樣就減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電機(jī)的機(jī)械使用壽命，大大減少了設(shè)備的維護(hù)工作量和費(fèi)用。
系統(tǒng)由于實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)恒壓控制，無(wú)需專門的操作人員操作，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力資源，同時(shí)大大提升了系統(tǒng)自動(dòng)化控制和管理的水平。
每一臺(tái)水泵的啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)方式，按照變頻器設(shè)定的加減速時(shí)間進(jìn)行升降速避免了電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊而造成的對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也避免了電機(jī)突然加速致使泵產(chǎn)生“喘振”現(xiàn)象。
由于變量泵工作在變頻控制狀態(tài)，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速是由供水量所決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約相當(dāng)可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)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(tǒng)節(jié)能效果顯著，因此系統(tǒng)投資回收期短（一般在18個(gè)月以下），而系統(tǒng)的長(zhǎng)期收益和其帶來(lái)的社會(huì)效益也是非常可觀的。
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