恒压供水数字化变频调速及远程监控系统

刘登海

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000）

恒压供水数字化变频调速及远程监控系统

刘登海

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000）

本文阐述了数字化恒压供水变频器控制系统的组成、功能及各功能的实现方法。开发的计算机监控软件，通过PID的通信功能，实现了供水系统的远程监控，提高了供水系统的自动化程度与管理水平。

变频器 PID调节器 远程监控

随着自动控制水平的提高，变频器恒压供水装置技术已经相对成熟，从节能运行到系统稳定可靠都得到社会认可。根据某小区用水需求，设计了一套数字化变频恒压供水系统，系统根据用水量的不同，通过管网上远传压变送器的信号输入到PLC，实现PID的自动调节，控制水泵的运行状态，保持管网供水压力。利用PLC的通信功能，结合开发的上位机监控软件，可较好地实现供水状况的远程监控。该系统用途较为广泛，可用于生活、工业及消防供水等许多领域。

1 恒压供水系统要求

传统的供水方式如恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水等普遍存在效率低、能耗大、自动化程度低、可靠性差、系统维护工作量大、气压罐需要定期充气加压等缺点，增加了设备的危险性。采用变频无塔恒压供水技术，可以弥补以上不足。变频恒压供水控制系统通过检测到的管网压力，经PLC的内置PID调节器运算后，调节变频器的输出频率，实现管网的恒压供水。从自来水公司输送来的净化水流入小区蓄水池中，然后由一台变频器控制的两台电机和两台工频泵将水输送到小区每个用户中。根据用户管网内水的压力来控制四台泵的工作方式。当用户用水量较少时，只有一台变频泵运行，保证管内压力恒定，当用户用水量较大时，系统自动启动其余的泵投入运行，保证送入小区用户的水压力恒定。电机A和电机B由一台变频器来控制，统称变频电机，在用水量较小的情况下，两台变频泵根据时间控制器相互切换，延长电机的使用寿命。为防止在用户用水量很小时，贮水池内的水位过高而溢出水池，加了一条液位联锁报警控制，以提高系统的安全性。

2 系统控制原理及组成

供水系统结构如图1所示。此系统采用闭环单回路反馈控制，系统不断采集管网内压力信号与给定压力设定值进行比较，经过运算后将偏差值送给PID调节器，PID调节器再将信号送给执行机构，即电机组。执行机构接收调节器的指令来改变自己的工作运行方式，从而使管内的压力发生变化。如此循环执行，直到管网压力保持在一个恒定的状态。由于该系统受到的环境（如温度变化）干扰因素较多，压力控制又属于滞后控制，所以采用P1D调节运算控制，以降低环境的干扰，提高系统的稳定性和快捷性。

图1 供水控制系统图

图2 流程控制框图

设计程序流程如图2所示。由图2可知，系统检测管内压力，然后判断管内压力与低限设定压力之间的差值，若小于低限设定压力，系统将会启动变频泵，并且变频泵功率的大小取决于压力信号的大小，如果变频泵在最大功率下运行时还未使管内压力达到低限设定值，那么系统将会启动1号电机。如果此时已经达到低限设定值，系统将会返回到开始时的状态，继续检测管内压力。同样，当变频泵和1号工频泵同时运行时，管内压力还未达到低限设定压力，系统会启动2号电机。如果此时已经达到低限设定值，系统将会返回到开始时的状态，继续检测管内压力。如果管内压力已经达到低限设定压力，系统会判断管内的压力是否大于高限设定值。如果没有达到高限设定压力值，系统将会返回到开始时的状态，继续检测管内压力；如果已经达到高限设定压力值，系统将会停2号电机；如果还大于高限设定压力值，系统将会停1号电机；如果还大于高限设定压力值时，系统将调节变频泵的功率，直至停止为止。用一台变频器来控制两台变频电机，当只有一台变频泵处在运行工作状态下，并且运行了一段时间，此时系统将自动切换到另外一台变频泵，这样可以延长电机的使用寿命。四台电机均设自动/手动装置，可以进行软启动，在特殊情况下或故障状态下，也可以手动启动每台电机。并且四台电机都设有过载保护、短路保护、过电压保护、缺相保护、过热保护、过电流保护，以及过电压瞬间断电自动恢复再启动功能。

系统有一台可编程逻辑控制器PLC、一台变频器、一台转换器、各种常规远传仪表、电机水泵组、报警装置和其他管道设备。PLC主要完成对系统的整体控制，接受各种信号，进行相应的运算处理，然后输出控制信号，包括联锁控制和报警输出。变频器可以改变电机的功率。转换器能够根据PLC所发的指令相互切换两台变频泵的工作方式。各种常规远传仪表完成对数据的采集和执行各种控制操作，完成各种联锁。选用具有累计流量和瞬时流量功能的流量计，可以计算小区用水的总量。

所有泵的停止运行条件相同，如果l号电机5个条件中（压力大于0.6MPa，电压大于400V、电流大于5A、温度大于100℃、手动按键停）任何一个条件满足，就停1号电机；如果2号电机5个条件中任何一个条件满足，就停2号电机。两台变频泵的停泵条件和l号电机、2号电机的停泵条件相同。另外当液位开关值为1时或手动按键停时电磁阀关闭。

3 远程监控系统设计

3.1 远程监控

供水泵站远离水电管理部门，为及时了解供水系统的运行状况，方便管理，设计了由计算机、PLC及数据采集和通信模块组成的监控系统，实现了供水状况的远程监控。

监控系统硬件由各类变送器和模拟量输入模块FX2N—4AD完成数据采集，通过通信转换模块实现PID和计算机的远程通信连接。监控系统硬件构成方案如图3所示。

监控系统软件以VB6.0作为开发平台，用通信控件MSComm实现计算机与PLC的通信。监控系统主要功能如下：

a.运行状态实时监视功能。通过读取PLC输入、输出继电器的状态及各种模拟量信息来掌握系统的运行状态，实时显示各重要设备的运行状态和数据，绘制重要参数的变化走势图。

图3 监控系统框图

b.远程手动控制功能。通过操作上位机远程控制界面直接控制水泵电机和变频器的运行，提高系统在故障状态时的应急处理能力。

c.数据管理功能。实现历史数据的存储和查询，对报警及故障信息自动生成记录文件，供事后分析。

d.事故自动报警功能。当运行过程中的检测量超标或设备发出故障信号或失去控制时，系统自动报警显示，同时自动拨打管理人员的电话，及时通知管理人员进行故障处理。

4 结语

根据流体力学原理，水泵的流量与电机转速成正比，压力与电机转速的平方成正比，因此水泵采用变频技术的效果比采用常规供水方法节电40%～50%，节水7%。该系统可以根据用户的要求，采用恒压控制、恒流控制、恒温控制等多种自动控制方法；也可以根据负荷的不同增加若干台泵。并且系统具有稳定、便于维护、无人职守等优点。变频恒压供水，节能效果明显，已成为供水给水设计的首选方案。