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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：采用電動機調(diào)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(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(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，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(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算機技術(shù)有機結(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，使得交流異步電動機調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生一場巨大的技術(shù)革命。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用的電動機調(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，可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制點的實時監(jiān)控，與觸摸屏計算機聯(lián)網(wǎng)可完成系統(tǒng)運行工況現(xiàn)場的動態(tài)畫面顯示、多種故障報警模式及報表打印等功能�，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算機進(jìn)行實時通訊上傳系統(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時將壓力和流量非電量信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流弱電信號，輸入到系統(tǒng)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(shè)定的信號進(jìn)行比較運算得出最佳的運行工況參數(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值控制泵站投運水泵的臺數(shù)及變量泵的運行工況，并實現(xiàn)對每臺水泵根據(jù)CPU指令實施軟啟動、軟切換及變頻運行。系統(tǒng)可根據(jù)用戶終端用戶用水量的變化，自動控制泵組水泵的循環(huán)運行以提高系統(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)，我們在進(jìn)行高層樓宇全自動供水系統(tǒng)設(shè)計和施工時，可根據(jù)用戶的實際需要設(shè)計綜合控制系統(tǒng)，一般來說控制系統(tǒng)有兩種控制實現(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管網(wǎng)過程信號轉(zhuǎn)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(dāng)遇到緊急情況需要進(jìn)行消防供水時，控制單元檢測到傳輸過來的自動消防運行指令或由人工操作運行將消防供水回路打開，同時變頻器切換至拖動消防水泵運行（系統(tǒng)先將消防供水回路的電動閥門打開或人工開啟手動閥門），此時生活供水回路暫停運行；2、兩套系統(tǒng)分開控制和運行，生活供水控制系統(tǒng)依舊如前所述，消防供水控制系統(tǒng)與消防報警控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，一旦消防報警控制系統(tǒng)檢測到險情，則消防供水控制系統(tǒng)立即開始運行，同時發(fā)送指令到生活供水控制系統(tǒng)將該系統(tǒng)立即停止，運行的方式可以設(shè)計為單獨的消防供水變頻器拖動水泵自動或手動運行。
三、 系統(tǒng)功能
※自動切換變頻/工頻運行功能
變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：
方式A：基本工作方式
變頻器始終固定驅(qū)動一臺泵并實時根據(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)到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到最小頻率時則停止最后啟動的輔助泵，由此控制增減工頻運行泵的臺數(shù)。
方式B：交替方式
變頻器通常固定驅(qū)動某臺泵，并實時根據(jù)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的順序是泵1→泵2，當(dāng)變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?→泵1。
方式C：直接方式
當(dāng)啟信號輸入時變頻器啟動第一臺泵當(dāng)該泵達(dá)到最高頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行，變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當(dāng)泵停止條件成立時，先停止最先啟動的泵。
※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(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計算何時需切換泵的操作從而完成系統(tǒng)控制。系統(tǒng)參數(shù)在實際運行中調(diào)整，使系統(tǒng)控制響應(yīng)趨于完整。
※“休眠”功能
系統(tǒng)運行時經(jīng)常會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時間超過系統(tǒng)設(shè)定值時，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)升高時將停止1泵，當(dāng)水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉(zhuǎn)2＃泵或3＃泵，當(dāng)頻率到達(dá)一定值后將啟動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”功能來設(shè)置。系統(tǒng)“休眠確認(rèn)時間”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間例如小于休眠時間td時，即td＜tn時變頻器繼續(xù)工作，當(dāng)td＞tn時變頻器將進(jìn)入休眠狀態(tài)�！皢拘阎怠庇晒┧畨毫ο孪迒�，當(dāng)供水壓力低于下限值且時間超過系統(tǒng)設(shè)定值時由PLC發(fā)出指令喚醒變頻器工作。在一般用戶場合經(jīng)驗值為：“休眠值”為10HZ；“休眠確認(rèn)時間”td為20s；“喚醒值”為70%、20S。
※運行特征：
以三臺水泵的恒壓供水系統(tǒng)為例，系統(tǒng)在自動運行方式下，可編程控制器控制變頻器軟啟動1#泵，此時1#泵進(jìn)入變頻運行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)供水量Q<1/3Qmax時（Qmax為三臺水泵全部工頻運行時的最大流量），可編程控制器CPU根據(jù)供水量的變化自動調(diào)節(jié)1#泵的運行轉(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)具有與計算機通訊的功能，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界面或工業(yè)控制計算機就可以形成一個完整的管控網(wǎng)并可以與上級網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時通訊。
增加了計算機的系統(tǒng)除控制功能外還可以實現(xiàn)以下功能：
※宣傳介紹：可以對公司、現(xiàn)場或系統(tǒng)提供方的概況、項目性質(zhì)及聯(lián)系方式等進(jìn)行圖文、FLASH、影像或三維動畫等形式的展示。
※電氣動作圖：根據(jù)系統(tǒng)中的各電器元件做相應(yīng)的動畫圖形，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觸點動作功能指示及泵組內(nèi)水泵的運行/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)說明手冊，對系統(tǒng)及各部件的注意事項及維護(hù)等做相應(yīng)的介紹并支持打印輸出。
※故障分析：可通過動畫、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(biāo)志等方式顯示系統(tǒng)的故障報警狀態(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；
※時鐘校正：可隨時調(diào)整時鐘以及系統(tǒng)的時間參數(shù)，便于實現(xiàn)分時控制及系統(tǒng)內(nèi)控制程序中的循環(huán)切換啟動/停止時間；
※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：
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為額定流量時的電機軸功率；
n為水泵的額定轉(zhuǎn)速。
額定流量Q=100%時，n=100%，若n1=90%n時，Q1=90%Q；P1=72.9%P，即可節(jié)電27.1%。若n1=80%n時，Q1=100%Q；P1=51.2%P，即可節(jié)電48.8%。
當(dāng)然以上的公式和計算方法為理論值，在實際運行的現(xiàn)場影響節(jié)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(shù)穩(wěn)定性等。在以上因素為正常合理的情況下，全自動根據(jù)我們的經(jīng)驗，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：
恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電機的電源頻率而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速從而改變水泵出口壓力，這種方式比靠調(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。
由于變量泵工作在變頻運行狀態(tài)，當(dāng)其出口流量小于額定流量時，泵的運行轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速，這樣就減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電機的機械使用壽命，大大減少了設(shè)備的維護(hù)工作量和費用。
系統(tǒng)由于實現(xiàn)了全自動恒壓控制，無需專門的操作人員操作，大大降低了操作人員的勞動強度，節(jié)省了人力資源，同時大大提升了系統(tǒng)自動化控制和管理的水平。
每一臺水泵的啟動方式為軟啟動方式，按照變頻器設(shè)定的加減速時間進(jìn)行升降速避免了電機工頻啟動時的電流沖擊而造成的對電網(wǎng)的沖擊，同時也避免了電機突然加速致使泵產(chǎn)生“喘振”現(xiàn)象。
由于變量泵工作在變頻控制狀態(tài)，其運行轉(zhuǎn)速是由供水量所決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(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個月以下），而系統(tǒng)的長期收益和其帶來的社會效益也是非�？捎^的。
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