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王濤 王愛國

1  概述

    變頻調速的恒壓供水方式既節能又可提高供水質量，是目前應用比較多的高樓供水方式。筆者根據自己的工作經驗，對于恒壓供水系統的設計、應用進行了總結，對應用中存在的問題進行了分析，并收集了目前比較先進的技術設備資料，對恒壓供水系統的方案設計提出了一些建議，以供參考。

2  系統組成方案

    變頻調速恒壓供水系統由變頻器、泵組電機、供水管網、儲水箱、PID調節器、壓力傳感器、控制單元等部分組成。其控制系統原理圖如圖1所示。

圖1  恒壓供水系統控制原理圖

    對于實際的供水系統，泵組電機可采用多臺，變頻器在工作時只對其中的一臺進行調頻，因此，在根據水壓決定投入泵組臺數后，變頻器只對最后投入的電機進行調速，其它已投入的電機則在工頻下全速運行。泵組電機由變頻器供電到由工頻電源供電的切換過程由邏輯控制單元PLC實現。
以一個由3臺主泵電機+1臺輔泵電機組成的恒壓變頻供水系統為例，系統構成如圖2所示。系統的主要組成部分是變頻器、壓力調節器、邏輯控制單元PLC和傳感器，這幾個部分的設計對整個系統的設計及性能至關重要。

圖2  供水系統組成原理圖

3  系統主要功能及工作原理

    系統設有手動和自動兩種工作方式。
    手動：通過各臺電機的按鈕控制其在工頻下運行和停止，主要用于檢修時。
    自動：由變頻器和PLC聯合控制各臺電機投入、退出、工頻及變頻運行方式。
PLC首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵，此時安裝在管網上的傳感器將實測的管網壓力反饋回壓力調節器，與給定值進行比較后調節器運算出控制量，調節變頻器輸出頻率及電壓，從而調節電機轉速。
    當用水量大時，變頻器輸出頻率接近工頻而管網壓力仍未達到給定值下限，PLC將當前運行的變頻泵切換到工頻運行，再將變頻器投入到第二臺泵，由變頻器軟啟動該臺泵并進行變頻調速控制。這時如果管網水壓能夠維持在給定值范圍內，則電機一臺工頻一臺變頻運行；如果管網水壓仍達不到下限值，則由PLC控制將第二臺泵切換到工頻，再由變頻器軟啟動第三臺泵，并進行變頻調速運行，直到管網壓力達到給定值。這時一臺電機變頻，其他電機工頻運行。

    當用水量小時，管網壓力高于給定值上限，而變頻器輸出頻率已達最小值時，則由PLC將最先投入的電機退出運行，由變頻器經過一定時間的調整后，如管網壓力在上下限以內，調整結束；如管網壓力仍高于上限值，再由PLC控制退出第二臺投入的電機，依此進行下去，直到管網壓力達到要求。

    在夜間無用水量時，PLC將三臺主泵依次退出運行，而只投入輔助小泵，以維持管網水壓（因為在泵量不大時，變頻器的節能效果已不明顯）。

    為提高泵組的整體使用壽命，泵組的切換方式采用泵組不分主次，先投入者先退出，后投入者后退出的轉換原則，使各泵組輪流工作，使用率均衡，且可防止出現把等效電源反向接入變頻器的情況發生。

    蓄水池內設有液位控制，當液位過低時，它會向PLC發出信號，使系統停機，以防水泵抽空，并發報警。

4  系統設備選擇與設計

    恒壓供水系統主要由變頻器、控制器、PLC及壓力傳感器等組成，因此，這些設備的選擇與設計將直接影響系統的性能和可靠性。

    (1)  變頻器：恒壓供水系統變頻器一般采用VVVF控制方式，即通過改變電源電壓和頻率而控制電機的轉速，從而控制管網水壓。
    根據目前市場上現有變頻器的情況，適于恒壓供水系統的性價比較高的機型有很多，功率在0.4～90kW范圍，而且，現在大多變頻器均帶有內置PID控制器及數據通訊接口，大大方便了用戶。進口變頻器價格在0.5～9萬元之間，如YASKAWA變頻器，臺達變頻器等；國產變頻器現在無論在技術上還是在性能上均有了很大的提高，可與進口產品媲美，而價格只有0.2～4萬元，如安邦信變頻器、森蘭變頻器等。

    目前大多變頻器都帶有內置PID控制器，使供水系統運行維護更方便，選用時可考慮。

圖3  變頻器設計

    圖3為筆者設計的一高樓供水系統的變頻器，選用的是國產華為變頻器（帶內置PID控制器）。圖中，M1、M2為極限輸出頻率檢測輸出信號端，送入PLC作為泵組工頻、變頻的切換控制信號。變頻器的極限輸出頻率上限可設為50Hz，下限頻率可設為20Hz。

    S1、S2、Sc－由PLC控制變頻器的運行與關斷。

    FI、FC－輔助輸入端，用于接來自壓力傳感器的反饋信號。

    (2)  控制器：恒壓供水系統的控制系統可采用常規的PID調節器，可利用變頻器的內置PID控制器，也可把PID控制器設計在PLC邏輯控制單元中，利用PLC的PID控制模塊實現。

    對于較復雜的供水系統，當水壓變化頻繁且范圍較大時，PID控制器往往難以滿足控制要求，而變頻器內置PID控制器參數的選擇多采用試湊的方法，帶有盲目性，對于復雜系統，很難調試出滿意的結果。因此，在設計控制器時，應針對實際的供水系統，對控制要求簡單的可利用變頻器的內置PID控制器或PLC的PID功能單元，而對于復雜的供水系統則應單獨設計控制器，可采用專用微機控制器進行設計。配合變頻器而設計的專用微機控制器類型很多，可根據要求設計為PID控制器、FUZZY控制器等多種形式。

    (3)  PLC：PLC類型很多，如OMRON的P型機，三菱的FX2系列等均可。

    (4)  壓力傳感器：壓力傳感器類型也較多，筆者在設計中選用了YTZ-150型壓力傳感器，其為帶電接點式，水壓檢測范圍為0～1MPa，精度為 0.01MPa，將水壓轉變為0～10V的電信號，反饋回變頻器。該傳感器可設定壓力上、下限值，當管網壓力處于上下限以外時，傳感器分別輸出開關信號進PLC的兩個輸入接點，與變頻器的極限輸出頻率檢測信號一起控制泵組的變頻與工頻的切換及工頻工作泵的切除。

5  系統設計

    根據上述步驟設計的由PLC實現的恒壓供水系統，如圖4所示。

圖4  恒壓供水系統組成

    系統軟件流程圖如圖5所示。

圖5  系統軟件流程圖

6  總結

    變頻調速恒壓供水系統由于其優越的性能和顯著的節能效果，被廣泛地應用在各類供水系統中。筆者設計的這套系統是針對居民高樓供水系統設計的，具有一定的代表性。其優越性主要體現在：
(1)  供水壓力平穩，變頻調速保持水網壓力恒定的調節性能優越，壓力變化在0.01MPa以內；
(2)  高效節能，系統4臺工作泵維持正常工作時的水壓，且由變頻器控制轉速，可有效解決不同用水量時出現大馬拉小車問題和電機輕載或空載時節能問題；
(3) 整個系統自動化程度高，不需人員職守，故障時可以自動保護并發出報警信號。
由此可見，在目前電力供應異常緊張的情況下，變頻調速恒壓供水系統由于其優異的性能和顯著的節能效果，尤其受到用戶的青睞，具有很好的推廣使用前景。