恒压供水系统的优化实验综述



恒压供水系统的优化实验综述

王丽

(安徽国防科技职业学院，安徽 六安 237011)

摘要：水是人类世界生活中不可缺少的物质，随着居民生活水平和居住环境的不断提高，落后的供水模式已经不能满足目前居民生活用水需求，所以，小区供水建设和改革已经成为了一个重要的课题，而高效节能的变频恒压供水技术是未来小区供水的主要方式，其具有一定的稳定性和经济性，所以值得我们大力推广。本文主要对传统恒压供水和新式恒压供水的优点、缺点及设计做深入综述。

关键词：恒压供水；发展现状；研究现状；优点；缺点

水是我们人类日常生活中离不开的重要资源，在当下全球水资源短缺的背景下，如何做好水资源的节能和高效提供，也是目前我国供水改革必须思考的问题[1]。我国在生活用水和工业用水方面的技术一直比较落后，大部分都是采取恒速泵结合高位水箱或是密闭水塔等方式进行供水，自动化程度也不高，随着国民经济的快速发展，城市高层建筑的不断增多，目前这种落后的供水技术也不能满足日常用水需求，这使得人们对于恒压供水有了更高更严格的要求，为了更好地适应城市经济的发展，我们需要改革当前这种落后的恒压供水技术，通过结合计算机、自动控制等技术，改革传统的恒压供水系统。[2]所以，本文以此为目的，通过查阅和总结相关学者的研究成果，总结传统供水的缺点和优化后的供水系统优点，以此来适应城市的快速发展和居民用水需求。

1供水系统的发展和研究现状

1.1供水系统的发展现状

随着变频技术的快速发展，变频恒压供水技术也随之发展起来，在20世纪末，由于变频器生产厂家将变频器的功能局限在工业方面，导致变频器在恒压供水系统中的使用非常简单，仅仅把变频器作为一个微小的控制环节，从而未能将变频器的功能完全发挥于恒压供水系统中[3]。为了能更好地满足当前的用水需求，人们开始将变频器通过增加压力和流量传感器后，大量应用于恒压供水系统中。从笔者查阅的相关文献可以看出，恒压供水系统的设计大多用一台变频器结合一台电机运行的，很少有用一台变频器结合多台电机运行的，所以导致恒压供水系统的投入成本过高。随着变频技术的不断发展，大量的研究开始针对恒压供水体系进行，而且也推出了变频器自动化水平较高的节能设计，例如日本三垦公司推出的“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”的恒压供水基板，就是一款非常好的变频恒压供水元件，它可以实现PLC可编程控制等功能[4]。只需与配套的供水装置连接，就可以一台带动5台以上的电机进行运行，这就使得变频恒压供水系统的成本大大节约，但是由于稳定性和容量不高，因此未能得到推广使用。

目前，国内外有许多厂家都致力于变频供水系统的研究和开发，其中比较好的变频器是采用PLC来实现的，还有一部分变频器是采用单片机技术来实现，但是其抗干扰性较差，仍然不能满足社会用水需求[5]。

最近，艾默生电气公司和希望森兰变频器制造公司先后生产了一款专门用于恒压供水体系的变频器，该变频器无需外接其它设备，可以同时控制4台电机运行，而且还在该变频器内部另外增加了两个单元，分别是闭环控制和循环控制。其缺点就是不能一次带动多台电机运行，而且通信功能不太好控制，因此对于要求极大节约成本的恒压供水体系来讲，还有待于改善和提升[6]。

1.2供水系统国内外研究现状

随着变频技术的不断发展，使得变频调速技术在用电行业里得到广泛推广，其中，变频恒压供水技术就是变频调速技术领域中的典型[7]。先前，外国生产的变频器主要用于控制电机的启动和停止、电机换向控制和速度调节等各种保护功能。在变频恒压供水系统中，通过变频中可编程的逻辑控制器，作为执行机构系统之间的控制环节，以保证管道内供水压力恒定，以满足不同时间的供水需求量，需要提供一个外部压力传感器和压力控制器，对水压进行闭环控制。

目前，我们国内有很多公司在做变频恒压供水项目，但大多使用国外变频器控制水泵的转速，调整管内水压主要是通过采用单片机和PLC及相应的软件来实现，但是在系统性能和动力性能、抗扰性能和开放性等多项综合技术指标方面，仍然欠缺稳定，不能满足用户的所有要求[8]。像前面所说的艾默生集团生产和国内希望集团生产的变频器，都是只能带动4台电机运行，虽然无需外接其它调节，但是其输出接口限制了驱动电机的容量，并且操作不方便使用，数据通信功能缺乏，使得它仅适用于负载能力相对较小和的供水站。

从笔者查阅的文献和以往研究成果来看，传统的恒压供水体系大多是由一个单一的变频器控制单台水泵机，很少使用单个变频器带动多个驱动泵机组运行的情况，导致投资成本过高。随着变频控制技术的发展，尤其是在供水系统中，变频器工作稳定性和安全性的提高，高效节日也日益受到人们的重视。众多国外厂商开始生产变频器逆变器不断的关注，并推出水景，如日本SAMCO公司推出的变频恒压供水基板，在两种工作模式[9]。虽然这种设备的成本不高，而且集成了电路结构，但是变频器输出接口不太灵活，并且大量的配置数据监控软件很难实现通信，并限制驱动器的容量，所以在实际使用中，它的使用仍然有一些限制。

通过以上分析的国际国内形势，发现在在恒压供水体系的变频调速设计和研究中，在结合现代控制技术、计算机技术及网络通信技术时，应系统考虑到电磁兼容性控制的频率闭环液压供水系统还需要进一步完善。因此，要进一步研究，以提高变频恒压供水系统的性能，使他们能够更好地满足人们生活和工业用水需求。

2传统供水系统的缺点及变频供水系统的优点

2.1传统恒压供水系统的缺点

随着国民经济的快速发展，人民生活和工业水平正向着高质量和现代化方向发展，再加上高层建筑的大量增加，在居民和工业用水的恒压供水体系中，传统的水塔或高位水箱供水方式已经不能满足当前的用水需求，而且这些传统的供水体系由于占地面积和投资过大，维护不便等缺点，使得日常供水难以实现实时性，造成能量的严重浪费[10]。目前，我国大部分仍然使用那种以电机来拖动水泵以恒定转速运行的方式， 通过调节阀上供水管中的水需求量调节水的供应。该方式的供水有以下缺点[11]：

(1)电能源浪费。在一天的不同时间，生活用水的需求变化是相当大的。如果在低水峰时的电机运作仍然和水高峰时的恒定转速相同，则极大地浪费了电能源。

(2)水能源浪费。当用水峰值较低时，管网压力肯定会较大，这样就会导致公厕用水或是管道泄漏时造成严重的水资源浪费。

(3)易出现断水情况。当用水峰值较高时，由于管道流量一下暴增，导致水管道压力不够，导致高层居民由于水压不足而出现断水现象。

2.2变频恒压供水系统的优点

变频恒压供水系统是为了更好的得到有效节能，是通过单片机处理和控制信号来控制电机转速的，从而根据水量需求来调整电机转速达到恒压供水的上的。该供水系统主要有以下优点[12]：

(1)根据供水系统水的压力和流量调整变频器和电机转速，完成按需供水，降低能源消耗。

(2)无需水塔等其它外围设备，控制简单具有实时性，并能满足水的需求增加。

(3)当建筑高度改变时，只要通过重新设置变频器的设定值就可以，这样就能够满足对水的新需求，而不改变水供应系统。

(4)按照系统的出口水压力和流量来自动识别供给系统的运行状况，使系统在最合理的状态下运行，以节省能源。

3变频恒压供水系统的方案设计

变频恒压供水系统的硬件一般包括变频器，PLC控制器和压力传感器，以水泵机组、接触器控制柜等其他组件。主要是通过一台变频器驱动结合4台电机运行的模式，其中4台电机可由2个大机和2台小机器组成，通过循环来使用。利用压力传感器进行压力信号取样操作，变频器是负责马达频率信号输出端，这两个信号被反馈给PID模块，然后通过PLC和PID进行逻辑运算，并控制系统设定值，然后比较结果，送到微处理器的PLC进行运算处理，最终向变频器提供工作信号，来改变电机运行速度，达到供水网络的趋于默认值，最终达到恒压供水的上的[17]。最后，将 PLC与PC电脑连接，随时由主机进行监控，来了解供水系统的各个方面。供水控制系统可以分为手动运行控制和自动运行控制。

3.1手动运行

当自动控制有异常现象出现时，必须转换为手动控制方式。在手动变速器开关转换操作的待机状态下，按控制系统启动控制旋钮，以1#泵电机开始工作，根据供水网络的压力变化大小，先把工作泵电机的速度和台数。如果水压不足，将泵马达开关转为工频操作，然后变频转换2#泵，依此类推，直到四台水泵电机开始工作[15]。

3.2自动运行

3.2.1控制管网压力升高

系统的工作原理为，每个泵都有变频运行状态，工频运行状态以及停止运行状态三种。当控制系统刚开始工作时，管内水的压力是接近零，在变频恒压控制系统的控制下，1#泵电机为变频运行，运行速度开始上升，供水管网的压力也开始上升，当供水管网压力上升到预定值，则该水压力可以满足用户的需求[16]。 1#泵的运行速度处于稳定运行。当用水量上升时，自来水管网的压力开始下降时，压力传感器检测到的信号被馈送至控制系统进行闭环调节，让1#泵运行速度更快。当居民减少用水量，自来水管网的压力开始升高时，压力传感器检测到的信号被馈送至控制系统进行闭环调节，让1#泵的操作速度变慢。如果水量需求不断上升，自动使输出频率上升到的最高工作频率—— 工频，供水网络压力也比设定值低时，控制系统将自动把1#转变为工频运作，并且2#泵电机变频开始，直到供水管网压力达到预设值。如果用水量不断增加，输出频率继续增加，直到输出频率达到工频，3#泵也开始工作。当四台泵电机都工作后，供水管的压力还没有达到预设值时，控制系统会发出警告。

3.2.2控制管网压力下降

当居民减少水的消耗，水的供应网络压力会增加，频率变化会下降到输出频率，当压力仍高于设定值时，该系统将运行时间最长的频率泵关闭，闭环调节水压将被重置，从而使水的压力恢复到设定值[17]。因此，每个泵由变频控制开始，所有水泵实现软启动周期，也就是说，每台泵逐渐从最初的最低频率增加，遵循“先开后启，后启先开”的原则[18]。当用户的用水量继续下降，变频器的输出频率返回到起始频率时，将一直持续到剩下最后一个变频水泵运行为止。当泵速流水接近于零，泵的转速为临界速度时，工作条件的特征和供水系统的我点，该系统被放置于间歇操作或低容量泵操作[19]。对于恒压供水系统的PLC程序设计过程中，我们必须认真深入的分析转换过程，所以它才可以使系统更有序的运行。

4综述总结

综上所述，从以上所总结的传统恒压供水的缺点可以看到，我国目前使用的传统供水系统已经不能适应当前生活和工业用水的需求，所以我国应从传统的恒压供水系统转化为变频调速的恒压供水体系，这点从笔者总结的变频调速恒压供水的优点可以看出，使用该方式的恒压供水可以更节能更高效的满足居民用水需求，所以笔者建议我国的恒压供水应从传统恒压供水方式转变为变频调速恒压供水模式，以此来适用当前国民经济的快速发展和转型。

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Summary of Water Supply System Optimization Study

WANG Li

(Anhui Vocational College of Defense Technology, Liuan 237011)

Abstract:Water is a human world can not live without the substance, with the continuous improvement of living standards and living conditions, poor water supply mode can not meet the current demand for residential water, so the water district construction and reform has become an important issue , while energy-efficient constant pressure water supply technology is the main way to future residential water supply, which has a certain degree of stability and economy, so we should be vigorously promoted. This paper focuses on the advantages of traditional and new constant pressure water supply water supply, design shortcomings and do in-depth reviewed.

Key words:Pressure water supply; Research status; Development Status; Features

中图分类号：TV674

文献标识码：A

文章编号：1004-1869(2015)01-0044-04

作者简介：王丽(1983-)，女，工学硕士，实验师，研究方向：电气自动化控制。

收稿日期：2014-11-24