王涛 王爱国

1  概述

    变频调速的恒压供水方式既节能又可提高供水质量，是目前应用比较多的高楼供水方式。笔者根据自己的工作经验，对于恒压供水系统的设计、应用进行了总结，对应用中存在的问题进行了分析，并收集了目前比较先进的技术设备资料，对恒压供水系统的方案设计提出了一些建议，以供参考。

2  系统组成方案

    变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、PID调节器、压力传感器、控制单元等部分组成。其控制系统原理图如图1所示。

图1  恒压供水系统控制原理图

    对于实际的供水系统，泵组电机可采用多台，变频器在工作时只对其中的一台进行调频，因此，在根据水压决定投入泵组台数后，变频器只对最后投入的电机进行调速，其它已投入的电机则在工频下全速运行。泵组电机由变频器供电到由工频电源供电的切换过程由逻辑控制单元PLC实现。
以一个由3台主泵电机+1台辅泵电机组成的恒压变频供水系统为例，系统构成如图2所示。系统的主要组成部分是变频器、压力调节器、逻辑控制单元PLC和传感器，这几个部分的设计对整个系统的设计及性能至关重要。

图2  供水系统组成原理图

3  系统主要功能及工作原理

    系统设有手动和自动两种工作方式。
    手动：通过各台电机的按钮控制其在工频下运行和停止，主要用于检修时。
    自动：由变频器和PLC联合控制各台电机投入、退出、工频及变频运行方式。
PLC首先利用变频器软启动一台加压泵，此时安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈回压力调节器，与给定值进行比较后调节器运算出控制量，调节变频器输出频率及电压，从而调节电机转速。
    当用水量大时，变频器输出频率接近工频而管网压力仍未达到给定值下限，PLC将当前运行的变频泵切换到工频运行，再将变频器投入到第二台泵，由变频器软启动该台泵并进行变频调速控制。这时如果管网水压能够维持在给定值范围内，则电机一台工频一台变频运行；如果管网水压仍达不到下限值，则由PLC控制将第二台泵切换到工频，再由变频器软启动第三台泵，并进行变频调速运行，直到管网压力达到给定值。这时一台电机变频，其他电机工频运行。

    当用水量小时，管网压力高于给定值上限，而变频器输出频率已达最小值时，则由PLC将最先投入的电机退出运行，由变频器经过一定时间的调整后，如管网压力在上下限以内，调整结束；如管网压力仍高于上限值，再由PLC控制退出第二台投入的电机，依此进行下去，直到管网压力达到要求。

    在夜间无用水量时，PLC将三台主泵依次退出运行，而只投入辅助小泵，以维持管网水压（因为在泵量不大时，变频器的节能效果已不明显）。

    为提高泵组的整体使用寿命，泵组的切换方式采用泵组不分主次，先投入者先退出，后投入者后退出的转换原则，使各泵组轮流工作，使用率均衡，且可防止出现把等效电源反向接入变频器的情况发生。

    蓄水池内设有液位控制，当液位过低时，它会向PLC发出信号，使系统停机，以防水泵抽空，并发报警。

4  系统设备选择与设计

    恒压供水系统主要由变频器、控制器、PLC及压力传感器等组成，因此，这些设备的选择与设计将直接影响系统的性能和可靠性。

    (1)  变频器：恒压供水系统变频器一般采用VVVF控制方式，即通过改变电源电压和频率而控制电机的转速，从而控制管网水压。
    根据目前市场上现有变频器的情况，适于恒压供水系统的性价比较高的机型有很多，功率在0.4～90kW范围，而且，现在大多变频器均带有内置PID控制器及数据通讯接口，大大方便了用户。进口变频器价格在0.5～9万元之间，如YASKAWA变频器，台达变频器等；国产变频器现在无论在技术上还是在性能上均有了很大的提高，可与进口产品媲美，而价格只有0.2～4万元，如安邦信变频器、森兰变频器等。

    目前大多变频器都带有内置PID控制器，使供水系统运行维护更方便，选用时可考虑。

图3  变频器设计

    图3为笔者设计的一高楼供水系统的变频器，选用的是国产华为变频器（带内置PID控制器）。图中，M1、M2为极限输出频率检测输出信号端，送入PLC作为泵组工频、变频的切换控制信号。变频器的极限输出频率上限可设为50Hz，下限频率可设为20Hz。

    S1、S2、Sc－由PLC控制变频器的运行与关断。

    FI、FC－辅助输入端，用于接来自压力传感器的反馈信号。

    (2)  控制器：恒压供水系统的控制系统可采用常规的PID调节器，可利用变频器的内置PID控制器，也可把PID控制器设计在PLC逻辑控制单元中，利用PLC的PID控制模块实现。

    对于较复杂的供水系统，当水压变化频繁且范围较大时，PID控制器往往难以满足控制要求，而变频器内置PID控制器参数的选择多采用试凑的方法，带有盲目性，对于复杂系统，很难调试出满意的结果。因此，在设计控制器时，应针对实际的供水系统，对控制要求简单的可利用变频器的内置PID控制器或PLC的PID功能单元，而对于复杂的供水系统则应单独设计控制器，可采用专用微机控制器进行设计。配合变频器而设计的专用微机控制器类型很多，可根据要求设计为PID控制器、FUZZY控制器等多种形式。

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

    (4)  压力传感器：压力传感器类型也较多，笔者在设计中选用了YTZ-150型压力传感器，其为带电接点式，水压检测范围为0～1MPa，精度为 0.01MPa，将水压转变为0～10V的电信号，反馈回变频器。该传感器可设定压力上、下限值，当管网压力处于上下限以外时，传感器分别输出开关信号进PLC的两个输入接点，与变频器的极限输出频率检测信号一起控制泵组的变频与工频的切换及工频工作泵的切除。

5  系统设计

    根据上述步骤设计的由PLC实现的恒压供水系统，如图4所示。

图4  恒压供水系统组成

    系统软件流程图如图5所示。

图5  系统软件流程图

6  总结

    变频调速恒压供水系统由于其优越的性能和显著的节能效果，被广泛地应用在各类供水系统中。笔者设计的这套系统是针对居民高楼供水系统设计的，具有一定的代表性。其优越性主要体现在：
(1)  供水压力平稳，变频调速保持水网压力恒定的调节性能优越，压力变化在0.01MPa以内；
(2)  高效节能，系统4台工作泵维持正常工作时的水压，且由变频器控制转速，可有效解决不同用水量时出现大马拉小车问题和电机轻载或空载时节能问题；
(3) 整个系统自动化程度高，不需人员职守，故障时可以自动保护并发出报警信号。
由此可见，在目前电力供应异常紧张的情况下，变频调速恒压供水系统由于其优异的性能和显著的节能效果，尤其受到用户的青睐，具有很好的推广使用前景。