一种新型高层恒压智能供水系统研究

唐 亮，陆明刚，施银中

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072)

0 引 言

近年来，随着人民生活水平不断提高，人们对供水系统的可靠性与供水质量提出了更高的要求，然而在目前城市系统供水中存在的不合理因素较多，如系统自动化调节程度不高，可靠性较差，设备维护不便等，无法较好地保障供水质量，供水系统设计或运行不合理也时常发生水资源浪费，管网漏损等现象［1］。由于目前常规恒压供水系统的压力设定值是根据高层建筑的实际高度加以设定的，对实际应用中实时水的流量变化对控制系统的影响没有加以考虑。为此，本文提出实时恒压供水系统在满足高层建筑用水的情况下，其目标恒压设定值可以根据自来水实时流量与预先设定的流量值的比较，通过结合模糊PID 控制算法的ARM7LPC-2119 微控制器进行微调，以达到在供水系统稳定前提下进一步降低供水系统能耗的目的。

1 系统工作原理

本系统通过水泵出口端的压力传感器测得压力值，通过A/D 转换为数字量输入到控制器的输入模块，通过ARM 控制器将实时输入量与目标设定量进行运算比较，在经过控制器内写入的控制算法处理得到输出量，并通过D/A 转换将输出控制量转换为模拟量输入到变频器，变频器调节设定频率控制水泵转速使实际压力值趋向目标压力值，实现闭环控制。由于系统采用多台水泵运行，控制器需要根据当前反馈压力与设定压力的差值选择是否加泵运行或减泵运行，同时，根据水泵的连续运行时间和水泵循环运行次序进行水泵运行切换。系统结构框图如下图1 所示。

图1 系统结构框图Fig 1 Block diagram of system structure

2 供水系统模式的能耗分析与选择

现今，在楼房建筑的供水系统存在多种运行方式:传统供水运行模式(楼顶水箱，水塔气压供水)、节流调节供水模式、恒压供水模式，因为传统供水模式基本已不用于高层建筑中，因此，本文主要对节流调节供水模式和恒压供水模式的能耗进行分析。

2.1 节流调节供水模式

节流调节供水模式主要是通过对供水管道中阀门的开度进行调节，使供水管路的特性曲线发生变化，以改变水泵的工况点，如图2 所示。H 为水泵的特性曲线，Hy1为管路中阀门全开时的管路特性曲线，Hy2为管路中阀门关闭一定开度后的管路特性曲线。当供水系统所需流量从QB减小为QA时，阀门关闭一定开度。由图可知，此时供水系统理论所需扬程为HCD，而实际提供扬程则为HAD，这就使扬程HAC没有得到很好的利用，因此，造成节流调节供水模式并没有达到节能的效果［2］。

图2 节流调节供水模式Fig 2 Throttling adjustment water supply mode

2.2 恒压供水模式

恒压供水模式指的是通过改变水泵的转速使水泵的出口水压保持恒定，若已知某系统的供水管路的特性曲线为Hy1，水压要求恒定于水平线H恒，水泵在额定转速下的特性曲线为H1，该水泵运行性能曲线如图3 所示。Hy1与H1交点B 即为水泵额定工况点，QB为额定流量。当管路所需流量为QA(QB＞QA)时，因为压力需要保持恒定，此时水泵工况点调整为 A 点。根据水泵相似理论格式 H=KQ2［3，4］，得到过A 点的相似曲线SA，因为供水管路没有改变，即管路扬程损失不变，根据水泵相似理论，管路特性曲线变为以Q=0，H=H 为原点的曲线Hy2，过A 点做横轴垂线交曲线Hy1于C 点，HC为流量QC下管路所需扬程，故HAC为富余扬程。因此，水泵恒压供水模式也存在能量的浪费［5］。

图3 恒压供水模式Fig 3 Constant pressure water supply mode

2.3 两种模式能耗比较

根据对以上2 种水泵调速运行模式能耗的分析，发现2 种模式下水泵运行都存在能量的浪费。假设某供水管路额定流量QB，管路特性曲线Hy1和水泵额定转速下特性曲线H1在2 种模式运行中保持不变，将图2 与图3 合成如图4所示，在供水管路流量减小为QA时，节流调节模式下能量浪费为HDC，恒压供水模式HAC(HDC＞HAC)，因此，采用恒压供水模式，系统更加节能。

图4 节流调节与恒压供水两种模式Fig 4 Two modes of throttling adjustment and constant pressure water supply

对恒压供水模式的进一步分析发现，随着流量的逐步减小，恒压供水模式下水泵富余扬程不断增大，根据高层建筑不同时段所需流量差值较大，本文提出在保证正常供水的前提下，根据实时的水量变化调节供水系统的恒压目标值，以进一步减小系统的能量损耗。因此，若要实现在供水系统不同时段的保障节能运行，需要根据管路所需流量的变化和运行特点确定对应的恒压值，实施变恒压值供水，这样才能保证水泵运行在最佳节能状态。

3 控制器设计与仿真

由于高层建筑的恒压供水系统非线性、时变大、比较复杂的特点，而传统PID 控制虽然具有简便，设定压力值易实现的优点，但其不具备良好的动态性能和鲁棒性;模糊控制器具有良好的动态性能，且对被控对象是否具有精确数学模型依赖性低的优点，但其缺乏调整的精确性。因此，在PID 控制器的基础上引入模糊控制，实现在不同区域的分级控制，就能使两者的优缺点能够互补，达到更好的控制效果。在误差较大的时候，采用模糊控制算法提高系统动态性能，使系统压力值能够快速接近目标值，减小超调量;在误差较小时，采用PID 控制算法，使系统压力值能够精确达到目标值［6］。

为验证供水系统模糊PID 控制器的控制效果，系统设定恒压值为0.8 MPa，仿真时间为120 s，采样时间为1 ms。根据用水量的波动性，为验证系统在水量高低峰差异较大情况下的抗扰动的性能，与PID 控制器仿真相同在仿真时间60 s 时，给控制系统输入一个幅值为0.4 MPa，持续时间为5 s 的负脉冲，用来模拟高层建筑在高峰时刻用水量的突然增加。系统通过Simulink 软件仿真的结果如图5 所示。

从仿真结果可以看出:基于模糊PID 控制器的恒压供水系统调整时间为25 s，超调量为15%，精确达到了系统的目标压力设定值0.8 MPa，系统有较好的动态性能和静态性能。

4 实验验证与分析

4.1 智能供水控制器实验平台与控制效果实验

图5 模糊PID 控制器的仿真结果Fig 5 Simulation results of fuzzy PID controller

由于实验现场环境本身的条件有限，实验对象为高10 层的建筑，所以，对建筑物设定初始恒压值为0.57 MPa。实验平台采用2 台水泵构成水泵组进行供水，1 个基于ARM 智能开关控制器，ABB 的中压变频器ACS510 一台和外联上位机电脑一台。

由于实验条件限制设定系统恒压设定值为0.57 MPa，测试时间开始于上午10 点30 分，测试时间为30 min。为了模拟真实的用水情况，实验在初始设定水流量为10 L/s，在15 min 后模拟建筑用水的高低峰状况，设定水流量为25 L/s，持续时间为5 min，实验的部分测试数据如图6、图 7、图 8 所示。

图6 水流量10 L/s 时数据Fig 6 Datas of water flow 10 L/s

图7 水流量增加到25 L/s 时数据Fig 7 Datas of water flow 25 L/s

图8 水流量返回为10 L/s 时的数据Fig 8 Datas of water flow back to 10 L/s

由实验数据可以看出:本文设计的控制器按照目标设定的压力，驱动变频器调节水泵转速，实现了对建筑物恒压、快速、稳定供水的目标。

4.2 智能供水方式和常规恒压供水方式能耗对比实验

本文设计的智能供水方式是指根据水泵出水口流量计测得到的流量变化，系统自动搜索数据库确定新的恒压设定值和控制器的控制参数，更新系统设定的恒压值和控制参数，对建筑物实现恒压供水。常规恒压供水方式为初始系统压力设定后，系统运行期间对压力值不做修改，因此，在实验时只需关闭恒压值调节子程序即可。2 种供水模式分别在 5，10，15 L/s 和 20 L/s 流量下各运行 1 h，系统设定的初始恒压值均为0.57 MPa，系统能耗的对比如图9 所示。4 h 综合工况实验结果显示:采用智能供水模式要比常规恒压供水方式节能14.1%，因此，采用智能供水模式将使供水系统能耗降低，达到较好的节能效果。

图9 智能供水模式与常规恒压供水模式能耗对比Fig 9 Energy consumption contrast between intelligent water supply mode and conventional constant pressure water supply mode

5 结束语

在满足高层建筑基本用水的情况下，根据用水量的变化确定实时恒压目标值，选取模糊PID 控制算法作为供水系统的控制策略，利用以ARM7LPC-2119 微控制器为核心的恒压智能供水系统，仿真和实验的数据与结果均证明:该系统具有良好的控制效果和节能性，可以广泛应用于高层建筑、写字楼、医院和工厂恒压供水系统当中。

［1］ 马爱卿.高层住宅楼供水方案探析［J］.山西焦煤科技，2006(1):26 －27.

［2］ 汤志彪.基于变频调速的恒压供水智能控制系统［J］.煤矿机械，2005(6):93 －95.

［3］ 王福军.水泵与水泵站［M］.北京:中国农业出版社，2005.

［4］ Lansey K，Awumah K.Optimal pump operations considering pump switches［J］.Journal Water Resources Planning and Management，2004，120(1):17 － 35.

［5］ 戴宝华，谢建凯.一种变频调速恒压供水技术［J］.武汉交通科技大学学报，2000(8):466 －468.

［6］ 黄建新.基于ARM 的小区供水嵌入式智能控制系统［J］.仪表技术，2007(12):30 －31.