试论供水系统自动控制问题与对策

邹伟志

【摘 要】本文介绍了变频器在自动控制恒压供水系统上的应用。简述了变频器恒压供水系统的优点，系统组成和控制方法等。重点介绍了变频器PID调节功能的参数设定方法。通过论述和比较，表明此恒压供水系统相对于传统方式具有很大的经济性和稳定性。

【关键词】变频器；自动控制；恒压供水；问题与对策

作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。

在实际工况中，用水量是时刻变化的，为了适应水量的变化，以往多采用调节泵出口阀门定时去控制泵出口压力在某一规定值上，这必然造成用水时有超压或欠压现象。水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到了节能效果。根据这一原理，在应用中选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳的节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性曲线等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的。保证了用水压力的可靠。

1.变频恒压供水特点

（1）恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

（2）动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。

（3）采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。

（4）系统配置可实现全自动定时供水，彻底实现无人值守自动供水.控制系统具有故障报警和显示功能，并可进行工变频转换，应急供水。

（5）系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时，机组进入休眠状态，水泵停止，流量增加后才进行工作，节电效果明显，比恒速水泵节电23%-55%。

（6）整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。

（7）采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况。

2.系统组成及工作原理

变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力或专用控制器），采用一个压力传感器（反馈为4～20mA或0～10V）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制电机转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，使实际管网压力与设定压力相一致。另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率。达到了节能的目的。

此系统主要由2台供水泵，1台变频器，1块远传压力表和一些相关设备组成。当用水量不大时变频器启动1#泵电机，接触器KM2断开、KM1吸合，1#泵变频运行，随着压力自动调节频率的高低以保持压力的恒定。当用水量增加1#泵频率随之增大，如到工频仍不能满足要求时，变频器控制接触器KM1断开、KM2吸合，使1#泵工频运行，然后KM3吸合使2#泵变频运行。如用水量一直减少，则变频器控制2#泵减速直至推出运行，使1#泵转入变频运行，如果用水量继续减小，变频器转入休眠状态，停止输出。如果1台泵一直能满足用水量，出于保护电机的目的，可以设置变频器参数，使变频器控制2台电机每隔一段时间切换运行。

3.变频器PID调节功能

变频器是通过内置PID调节器对供水系统进行闭环控制的。首先设置一个恒定的给定压力值，变频器则通过现场压力传感器的反馈信号，进行PID调节，控制变频器的输出。通俗的说就是，当压力超过给定值则变频器减速，不足给定值则增速，供水系统始终保持恒定压力，变频器输出则无须考虑。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。

综上所述，水泵采用变频器控制后，泵的出口扬程大幅度下降，节能效果显著。由于电机转速下降，泵出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，延长了设备的使用寿命。提高了功率因数，软启动特性避免电机直接启动时大电流对电机线圈和电网的冲击。 采用变频器后，电动机和泵共同组合为一体，它既是动力源，又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了工人的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化，实现在线调整，保证管网末端压力恒定，不存在人为调整的滞后现象。总之，此系统具有体积小、调速范围大、效率高、无级调速等特点，运行安全可靠，实现闭环控制系统，满足用水需量，保证管网末端压力恒定，具有明显的节能降耗的经济效益，同时还延长了设备寿命，减少了维修工作量，是一种比较理想的调速系统。

【参考文献】

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[3]韩安荣.通用变频器及其应用（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2008.