全自動恒壓供水系統(tǒng)是如果實現(xiàn)恒壓變頻供水的？
全自動恒壓供水系統(tǒng)是如果實現(xiàn)恒壓變頻供水的？
前言：用戶用水的多少及流量是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。
全自動恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用全自動恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。
隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日益完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，變頻器拖動水泵啟動平穩(wěn)，啟動電流遠小于設(shè)備額定電流，從而避免了設(shè)備起動時對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊；由于水泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長水泵和閥門等設(shè)備的使用壽命，減少設(shè)備的維護量；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式以及完備的控制和保護功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率運行的目的。
一、 全自動恒壓供水系統(tǒng)原理概述
全自動恒壓供水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)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。
全自動恒壓供水系統(tǒng)的控制目標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。進入90年代電力電子器件向著大容量、高頻率、響應快、低損耗的方向發(fā)展。作為應用現(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。目前全自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調(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。現(xiàn)在先進的PLC大多具有標準的工業(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)濟運行的手段。
二、 全自動恒壓供水系統(tǒng)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到最佳的節(jié)能效果。因此供水系統(tǒng)的設(shè)定壓力值應根據(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)。
典型的全自動恒壓供水系統(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)換為標準電流弱電信號，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。全自動恒壓供水系統(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)，我們在進行高層樓宇全自動恒壓供水系統(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，當遇到緊急情況需要進行消防供水時，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、 全自動恒壓供水系統(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，即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵工頻運行、當變頻器的輸出頻率達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
當啟信號輸入時變頻器啟動第一臺泵當該泵達到最高頻率時，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)）。當水壓繼續(xù)升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉(zhuǎn)2＃泵或3＃泵，當頻率到達一定值后將啟動1＃泵調(diào)節(jié)2?；?＃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)“休眠確認時間”用PLC或變頻器的功能設(shè)置，當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td＞tn時變頻器將進入休眠狀態(tài)。“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當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；“休眠確認時間”td為20s；“喚醒值”為70%、20S。
※運行特征：
以三臺水泵的全自動恒壓供水系統(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#泵進入變頻運行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速逐漸升高，當供水量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；當用水量Q在1/3Qmax
※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/停止狀態(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/拓撲示意圖等。
※系統(tǒng)維護：可編制相應的系統(tǒng)說明手冊，對系統(tǒng)及各部件的注意事項及維護等做相應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）、燈光顏色標志等方式顯示系統(tǒng)的故障報警狀態(tài)以及相應的處理方式。
※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、 全自動恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點：
1、經(jīng)濟效益分析：
根據(jù)流體力學原理可知：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
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)約相當可觀的電能，其經(jīng)濟效益是非常明顯的。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常可觀的。
【附錄】變頻器選型參考
隨著變頻器的大力推廣和逐步普及，市場上的變頻器品牌紛繁復雜，每個品牌又包含多種類型和型號。根據(jù)我們多年從事變頻調(diào)速技術(shù)的推廣和應用的經(jīng)驗，我們認為使用方選擇變頻器做為交流拖動執(zhí)行機構(gòu)，應該考慮以下幾點：
1、變頻器的品牌和性價比；
2、該品牌在中國市場的市場份額和發(fā)展趨勢；
3、該品牌變頻器在相同應用行業(yè)或相同設(shè)備上的成功應用業(yè)績；
4、提供該品牌變頻器企業(yè)的技術(shù)服務力量（包括對變頻器技術(shù)的認知程度、以變頻器為核心搭建控制系統(tǒng)的能力；對變頻器所應用設(shè)備或系統(tǒng)的熟悉程度、現(xiàn)場調(diào)試的能力和經(jīng)驗、技術(shù)移交和培訓的能力以及售后服務的能力等）。
根據(jù)我們長期從事變頻器和自動化控制系統(tǒng)的經(jīng)驗總結(jié)，我們特提出相應的變頻器選型參考意見：
★變頻器的輸出電流波形應為全數(shù)控式脈寬調(diào)制正弦波（SPWM）。在任何負荷和轉(zhuǎn)速都應不須接駁任何外置矯正電容器而保證在基波上輸出單一功率（注釋：電機工作狀態(tài)穩(wěn)定，延長電機使用壽命，減少設(shè)備維護量）。
★變頻器應能在輸入電源發(fā)生瞬間斷電故障或暫停后立即進行保護，同時并記憶存儲故障信息，當系統(tǒng)恢復供電時變頻器應能立即在全頻段范圍內(nèi)跟蹤電機轉(zhuǎn)速自動啟動或根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備需要隨意設(shè)定啟動方式（注釋：確保在要求設(shè)備不間斷運行時所必須的功能尤其是對應消防供水系統(tǒng)）。
★變頻器的載波/調(diào)制頻率（脈寬調(diào)制正弦波頻率）應可以在最大和最小范圍內(nèi)任意調(diào)整，用戶可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的抗干擾性能和電網(wǎng)的實際情況任意調(diào)整參數(shù)（注釋：變頻器的載波頻率有可能會對一些儀器儀表和精密電子設(shè)備造成一定程度的干擾，為將變頻器對外的電磁輻射干擾降至最低或最合理的狀態(tài)，載波頻率值必須可以在現(xiàn)場根據(jù)情況任意設(shè)置）。
★變頻器對輸入電源電壓的變化范圍要求應越寬越好（至少在-10%～+10% 以上），并在電壓高低限狀態(tài)下均可輸出標稱的額定容量（電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等）（注釋：由電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定所造成的變頻器輸出參數(shù)的紊亂而導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障是比較頻繁發(fā)生的情況，尤其是變壓器容量較小或農(nóng)網(wǎng)供電的情況，故該功能非常重要）。
★變頻器應能接收控制系統(tǒng)外部輸入的各種標準弱電模擬電信號（如 0～5V、0～10V、 0～10mA、 4～20mA）并能輸出標準弱電電壓、電流、脈沖等模擬信號及多個開關(guān)量輸出端子（其中必須包括變頻器故障報警輸出常開/常閉干接點）。另外變頻器還應具備RS-232 、RS-485（鑒于一般的運行現(xiàn)場需要較長通訊距離，接口最好為 RS-485）和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊接口（如：Profibus、Modbus等）為系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制及管理、控制升級預留接口（注釋：變頻器的最終定義為：接收上位控制核心的信號控制下端負載的智能執(zhí)行機構(gòu)，這就要求變頻器必須具備這些接口和可升級的硬件和技術(shù)空間）。
★變頻器應具備軟件或端子鎖，在所有參數(shù)設(shè)定好并經(jīng)過系統(tǒng)正式運行檢驗后可加鎖以防止操作人員誤操作或非相關(guān)人員的隨意更改參數(shù)而導致的變頻器故障，如確實需要調(diào)整參數(shù)可由專業(yè)工程技術(shù)人員操作（注釋：由于誤操作導致變頻器或設(shè)備出現(xiàn)故障是非?？上У?，而且做為設(shè)備管理部門無法定性考核，所以該功能非常實用）。
★變頻器控制系統(tǒng)內(nèi)變頻器及電機的工作噪音應在允許的范圍內(nèi)降至最低（一般為80dB以下）（注釋：降低設(shè)備工作噪音是新環(huán)保概念所必須的）。
★由于有時變頻器運行現(xiàn)場距控制室有一定距離，這時變頻器需要遠程控制，變頻器應在允許的距離范圍內(nèi)（40米以下）輸出額定的電壓、電流及轉(zhuǎn)矩（注釋：40米這個指標是多年來在大量應用場合時間總結(jié)出來的，低于這個指標會增加使用方的變頻器設(shè)備采購成本，高于這個指標變頻器的成本增加）。
★做為一些重要使用場合變頻器的運行可靠性指標對于整個系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵。根據(jù)我們的經(jīng)驗，一般要求變頻器在選型正確和不更換器件情況下的無故障運行時間應大于50000工作小時（注釋：一般情況下變頻器最易老化和損壞的器件是散熱風扇和電解電容，而這兩類產(chǎn)品的性能指標很多變頻器在說明手冊和宣傳資料中無法找到或提供方回避這個問題）。
★有些場合需要就地安裝設(shè)備并進行遠程監(jiān)視和控制，這就要求變頻器的操作器應該具備可以移至控制中心的功能便于控制人員監(jiān)控，而變頻器的操作器與變頻器本體的連接電纜不應為傳統(tǒng)的多股排線或多芯專用護套電纜而應為現(xiàn)在非常普及并易于購買和制作制作的網(wǎng)絡(luò)線，這樣便于敷設(shè)和維護（注釋：用網(wǎng)絡(luò)線做為變頻器操作器和本體的連接電纜是變頻器行業(yè)勢在必行的行業(yè)統(tǒng)一標準，這是對變頻器內(nèi)部通訊模式和軟件控制技術(shù)向通用計算機技術(shù)靠攏的一次革命）。
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