劉嬌月，楊聚慶，王光民

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng) 473009；2.河南紅宇企業(yè)集團(tuán)有限責(zé)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(shè)備，這些設(shè)備占地面積大、成本高;還不可避免地存在二次污染的問(wèn)題，越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代化的供水和人們對(duì)生活水品質(zhì)的要求。同時(shí)，采用傳統(tǒng)的供水方式很難保證供水的實(shí)時(shí)性，不能根據(jù)用水量的變化調(diào)整泵流量，必然造成能源的浪費(fèi)和過(guò)高的設(shè)備故障率。

為了滿足節(jié)約能源、提高設(shè)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(diào)速恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)、生活、消防等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水變頻系統(tǒng)通過(guò)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)變速，根據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到維持恒定供水壓力的目的，使其成為先進(jìn)合理的節(jié)能型供水裝置。隨著自動(dòng)控制和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，智能型控制器件和變頻裝置的功能也越來(lái)越強(qiáng)。充分利用各種先進(jìn)技術(shù)，合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備，對(duì)降低成本、節(jié)約能源、提高供用水質(zhì)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(duì)流量的需求，系統(tǒng)的基本控制對(duì)象是流量。動(dòng)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(dāng)供水能力Qg＞用水需求Qu，則壓力上升（p↑）；當(dāng)供水能力Qg＜用水需求Qu，則壓力下降（p↓）；當(dāng)供水能力Qg ＝用水需求Qu，則壓力不變（p＝常數(shù)）。

可見(jiàn)，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(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器,把出口壓力信號(hào)送入控制器,經(jīng)運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較,得出一個(gè)比較參數(shù),送給變頻器,由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,調(diào)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(dāng)用水量超過(guò)一臺(tái)泵的供水量時(shí),通過(guò)PLC控制切換器進(jìn)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(duì)水泵的調(diào)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí),輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化,這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力值為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中變頻器的作用是利用電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速,提供適合的管網(wǎng)水壓。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓,壓力設(shè)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(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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(guān)計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)表查詢，用水量標(biāo)準(zhǔn)為0.19m3／人·日，每小時(shí)最大用水量為105m3／h。要求提供適合的水壓調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)自動(dòng)、節(jié)能、恒壓供水。

3.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)采用“一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵”的多臺(tái)水泵控制方案，由樓層高度計(jì)算供水壓力值為0.36 Mpa，選用三臺(tái)水泵并聯(lián)供水。為節(jié)約設(shè)備投資，只用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)水泵協(xié)調(diào)工作，即“一控三”技術(shù)。選用SAMCO-vm05變頻器，內(nèi)置PID調(diào)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(shí)壓力變化自動(dòng)調(diào)節(jié)單臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速和多臺(tái)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(shè)定壓力值，并滿足用戶的流量要求，使整個(gè)系統(tǒng)始終保持在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。同時(shí)可實(shí)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(shè)定值、控制順序、控制電機(jī)數(shù)量、壓力上下限、PID值、加減速時(shí)間等）來(lái)實(shí)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(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，因此使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑、穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失真，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)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(shè)定供水壓力，給定壓力通過(guò)操作面板設(shè)置；用于反饋壓力的傳感器采用遠(yuǎn)傳壓力表（電路中的P），使用時(shí)將遠(yuǎn)傳壓力表與變頻器直接相連，性價(jià)比高。

選用水泵型號(hào)為65LG36-20×2，水泵自帶電動(dòng)機(jī)功率7.5kW,選用SAMCO-vm05變頻器SPF-7.5K，容量7.5kW，內(nèi)置有PID調(diào)節(jié)器，配接SWS供水基板。利用變頻器內(nèi)PID控制，比較給定壓力信號(hào)和反饋信號(hào)的大小，輸出相應(yīng)的0-10V電壓控制信號(hào)，自動(dòng)控制水泵進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。

圖3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制電路圖

SWS備有8個(gè)可驅(qū)動(dòng)AC250V繼電器的接點(diǎn)輸出，最大可對(duì)應(yīng)7臺(tái)電機(jī)（水泵），可直接驅(qū)動(dòng)電磁接觸器RY1-RY8，通過(guò)其ON、OFF狀態(tài)來(lái)控制電機(jī)啟停，本系統(tǒng)中設(shè)置3臺(tái)電機(jī)。可由接點(diǎn)信號(hào)從外部來(lái)選擇水泵，便于設(shè)備維修，還可作為多功能繼電器輸出。顯示變頻器各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的接點(diǎn)信號(hào)可以輸出到RY3-RY8的6個(gè)通道中。

3.2 控制過(guò)程分析

如圖3所示為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制電路圖。該控制電路可以實(shí)現(xiàn)變頻、工頻轉(zhuǎn)換控制運(yùn)行，KM0、KM2、KM4控制三臺(tái)電機(jī)的變頻運(yùn)行，KM1、KM3、KM5控制電動(dòng)機(jī)的工頻運(yùn)行；SA為選擇開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)用戶可方便地進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)和手工運(yùn)轉(zhuǎn)的切換。

調(diào)速過(guò)程：先啟動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在一定的數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加，水壓降低時(shí)，傳感器將這一信號(hào)送入變頻器PID控制器，經(jīng)過(guò)變頻器運(yùn)算，輸出頻率增大，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水壓上升。反之，當(dāng)用水量減少，水壓增高時(shí)，變頻器的輸出頻率減小，水泵轉(zhuǎn)速降低，水壓下降。

增泵控制流程：當(dāng)用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時(shí)水壓仍然不足，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)，將M1切換為工頻工作，同時(shí)變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運(yùn)行。當(dāng)M2也達(dá)到額定頻率而水壓仍不足時(shí)，重復(fù)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的過(guò)程，水泵M2脫離變頻器驅(qū)動(dòng)，由工頻供電全速運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵M3變頻運(yùn)行，使水壓恒定在設(shè)定值上。

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

泵切換流程：當(dāng)水泵運(yùn)行一定時(shí)間后（CD169、CD170為上下限頻率持續(xù)時(shí)間，即增減泵判斷時(shí)間，可以設(shè)定），無(wú)需專人值守，能自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵工作，避免長(zhǎng)期運(yùn)行損耗或長(zhǎng)期不工作銹死，大大減少了開(kāi)泵、切換和停泵次數(shù)，減少了對(duì)設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命；定時(shí)泵的切換功能使各泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間均一化，從而抑制了水泵的設(shè)備劣化。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)

系統(tǒng)具有完善的電氣安全保護(hù)措施，對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)載斷水等均能自行診斷并報(bào)警。如當(dāng)由市電工頻電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，電機(jī)回路中串接有熱敏繼電器進(jìn)行過(guò)載保護(hù)；使用電磁接觸器觸點(diǎn)互鎖功能，防止變頻器和市電切換時(shí)，驅(qū)動(dòng)雙方的電磁接觸器同時(shí)接通損壞變頻器；設(shè)置瞬時(shí)停電互鎖保護(hù)中間繼電器KM*及低水位保護(hù)中間繼電器RD。其中KM*是為了進(jìn)行手動(dòng)-自動(dòng)電路之間的互鎖并在發(fā)生瞬時(shí)停電時(shí)起作用（停電時(shí)，KM*線圈失電，使輔助觸電切換，MBS與DCM接通，運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)空轉(zhuǎn)停止）；RD是當(dāng)電路自動(dòng)工作變頻運(yùn)行時(shí)，防止儲(chǔ)水池水位過(guò)低，水泵抽不到水而進(jìn)行保護(hù)的。（當(dāng)水池水位低于要求值時(shí)，與RD線圈串聯(lián)的OM觸點(diǎn)斷開(kāi)，RD失電，使FR與DCM斷路，水泵電機(jī)停轉(zhuǎn)。同時(shí)MBS與DCM接通，運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)全部停止。）

變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4 系統(tǒng)節(jié)能效益分析

從流體力學(xué)原理可知，水泵供水流量與電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)功率有如下關(guān)系：

以上三式中：Q為供水流量；H為揚(yáng)程；P為電機(jī)軸功率；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)共有3臺(tái)7.5kW的水泵電機(jī)，假設(shè)按每天運(yùn)行16小時(shí)，其中4小時(shí)為額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，其余12小時(shí)為80%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，一年365天節(jié)約電能為：

若每1kW·h電價(jià)為0.60元，一年可節(jié)約電費(fèi)：

可見(jiàn)，對(duì)傳統(tǒng)供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，按現(xiàn)在的市場(chǎng)價(jià)格，一年即可收回投資，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于采用了變頻器內(nèi)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(dòng)化程度高、供水調(diào)峰能力較高、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能效果好的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)無(wú)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(chǎn)、生活用水，也可用于熱水供應(yīng)、恒壓噴淋等系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

表1 變頻器的主要功能參數(shù)設(shè)置

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

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

［3］宋 爽，周樂(lè)挺.變頻技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：高等職業(yè)技術(shù)教育，2008，173-194.

［4］三 墾.變頻器系列供水控制基板SWS使用說(shuō)明書(shū).三墾力達(dá)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(shuō)明書(shū).三墾力達(dá)電氣（江陰）有限公司，2002.

［6］馬 林，劉嬌月.流量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（8）：236-237.