基于变频器的楼宇恒压供水实验模型设计的研究

李珍珍

（南宁学院，广西 南宁 530200）

0 引言

高楼层居民供水是老百姓现实生活中重要的基本生活保障。一般情况下供水方式有市政直接供水、蓄水池供水、二次增压泵供水、恒压供水。但市政直接供水与蓄水池供水方式，一般只适合6层楼高度以下的楼层，7楼以上楼层就容易出现供压不足，影响高楼层的正常生活使用情况；蓄水池供水方式还需建立专门的储水池，占地且容易造成二次污染，成本大。如是安装二次增压泵的供水方式，耗电多，成本大，且容易对低楼层形成水压大冲击，压强不稳定，水管容易爆裂或水龙头易损坏，居民在用水时易出现水强喷出来的不适感。恒压供水系统能解决压力不稳定、高峰用水期与少用水期的压力波动、二次污染、成本等问题，是目前最理想的供水方式。而基于变频器的楼宇恒压供水系统既节能也能恒稳供水，且出现故障率小，供水效率高，质量好，智能，可控。

1 楼宇变频恒压供水系统工作原理

基于变频器的楼宇智能恒压供水系统工作原理是把水管网上的压力传感器（阀）对实际用水水压数据进行采样分析，并把压力信号转换为电信号，且这个电信号直接传入变频器的内置PID调节器；经PID调节器后的值与用户设定的压力值来进行对比，并将对比结果通过运算后的值转换为频率调节信号送至变频器，水泵启动台数信号送至可编程控制器（PLC）。变频器则可调整水泵电机的电源频率来改变水泵的转速；可编程控制器可通过PID调节器传送水泵启动台数的信号来控制水泵的实际运转。工作人员可根据水泵的实际工作台数，睡眠状态的水泵台数，调节变频泵转速，可让水管网的水压力稳定在设定值，使供水泵“加升”的水量与水管网中时刻变化的用水量保持一致，达到量变但供水压力恒稳的效果。

供水系统可依据检测到的水管网内压力，再经过变频器内置PID调节器运算来改变输出频率，从而实现水管网内的恒压供水。水管网内压力的极限信号可采用变频器的频率超限信号，可传送到PLC进行变频泵的逻辑切换。把泵的启停与其出口阀门联动，可防止水锤现象，模型搭建如图1所示。

图1 模型搭建Fig.1 Model constructing

2 基于变频器的楼宇恒压供水系统优势

基于变频器的楼宇恒压供水系统相对于其它楼宇供水形式有以下优势：

（1）显著的节能，可自动调节。

（2）通过变频器设备来改变电动机频率，来实现调节水泵转速可改变水泵出口压力的作用，相比较利用调节阀门来控制水泵出口压力的方法，变频恒压方式可降低管道阻力并减小截流损失效能。

（3）变频泵是变频工作，当出口水流实际量未达到设定额定水流量时，泵的转速就会降低，从而减少损耗，延长泵与电动机的机械使用寿命。水泵电动机的启动方式选择软启动，加速可按设定时间，避免启动电流瞬时过大而对电网电压造成波动，以及避免突然加速造成泵系统的喘振，还可以彻底消除水锤现象。

（4）恒定压力的自动控制不需人工频繁操作，降低劳动强度，节省人力资源。

3 变频器的工作原理

变频器要想正常运行，须有频率信号和运行信号。我们使用变频器就是想通过变频器来改变输出频率，从而调整电动机转速。变频器频率给定信号的变化可改变变频器的输出频率，频率给定信号可来源以下四种方式：

3.1 操作面板设定

变频器频率最简单的给定方式就是操作面板设定。操作面板中有数字键、上升与下降键、时间键等，可直接输入设定数值。这种方式具有方便、快捷、简单且具备监控功能，精度和分辨率高，还可显示变频器运行时的电流、电压、转速等实时数值。

3.2 外接电位器给定

变频器外接电位器来调节频率。

3.3 多功能输入端子给定

变频器多功能输入端子可外接可编程控制器、开关、按钮、继电器的输出点等外设备。两个或多个端子通过功能设置用于频率给定。

3.4 模拟量信号输入给定

变频器可以通过模拟量端子把外面输入模拟量信号从而进行给定，实现用改变模拟量大小来调整变频器的实际输出频率。

（1）通过电压信号输入：普通变频器基本具有两个以上的电压信号输入端，可直接利用变频器内部电源通过外接电位器来获取电压信号。电压范围在0至±10V、0至±5V等。

（2）通过电流信号输入：一般给定电流范围为0-20mA。

（3）通过脉冲信号输入：脉冲信号作为输入频率给定信号。

4 系统所需设备

基于变频器的楼宇智能恒压供水系统主要由水泵、阀门、变频器、可编程控制器、压力传感器、管道、电动机等组成。

4.1 系统实际考虑因素

（1）水泵的扬程范围应大于实际供水范围高度，至少达10%。

（2）水泵的总流量应大于实际最大供水量，至少达10%。

（3）储水柜容量应大于每小时最大供水量。

（4）选择变频器：应根据区域用户的实际用水量、需求供水量、高峰期与低谷期用水量、系统供水高度、所需系统稳定性等综合因素来确定水泵的型号以及所需台数，把各因素数值计算好后然后再选择变频器的型号。

（5）PLC选择（可编程控制器）：能够满足系统的自动控制要求，及适用环境，简单、强大、快捷。

4.2 系统所选变频器

ABB公司的ACS600系列变频器是采用目前最先进的直接转矩控制（DTC）技术的高性能变频器，具备先进的生产工艺。它具备功率范围宽，控制速度优良，转矩控制显著，保护功能完整，编程灵活，高可靠性和小体积等优点。

主要参数有功率可调：2.2KW-3000kW

电源电压：三相交流电：

380/400/415/440/460/480/500V电 压 误 差±10%；

电源频率：48HZ-63Hz

控制连接端口：可编程模拟输入（AI）端2个；可编程模拟输出（AO）端1个；可编程数字输入（DI）端5个；可编程数字输出（DO）端2个。

通讯串行：方便变频器与计算机连接串口的标准RS-485接口。

保护性能：串行通讯故障保护、过流保护、过压保护、欠压保护、AI信号丢失保护、欠压缓冲、过热保护、短路保护、电机欠/过载保护、堵转保护、接地保护等。

外型结构紧凑，小巧，安装方便。

ABB变频器独特的直接转矩控制（DTC）功能是目前最先进的电机控制方式，可对所有交流电机的核心变量都可以进行直接控制，无需速度反馈就可实现电机速度和转矩的精确控制。ACS600型号变频器内置PID、PFC、预磁通等八种应用宏，可根据需求选择自己需要的应用宏，相应的所有参数都会自动设置，输入输出端子也会自动配置，内置的应用宏配置节省了大量的调试时间及减少数据出错[1]。

4.3 PLC（可编程序控制器）的选取

SIMATICS7-200可编程序控制器是模块化中小型PLC系统，能够满足中等性能要求的应用场合；各种功能模块能够很好的满足控制系统要求和适应自动控制任务，各种单独模块可以自行组合用来扩展；多界面网络能力与简单实用分散式结构应用灵活，简易无风扇设计，方便用户使用；自带I/O扩展模块，可自行根据需求选择合适的模块，当系统控制任务增加时，可自由扩展，且大规模集成功能让它功能非常强劲[2-4]。

5 系统控制的相关要求

实验可在比较小的用水管网中（如：实验楼办公室洗手台）接入恒压供水系统。在一楼进水总管处接入一个水阀，当实验进行时，关闭阀门，水流由变频器所控制的泵进入管网，通过控制泵的转速，进而控制用水水管的水压，实现以下几个目标：

（1）维持水压恒定；

（2）控制系统可手动/自动运行；

（3）多台泵自动切换运行；

（4）系统的唤醒与睡眠状态，当外界停止用水时，系统处于睡眠，当外界有用水需求时自动唤醒工作；

（5）在线调整PID参数；

（6）泵组及线路保护检测报警，信号显示等。

6 变频器内置PID控制器在恒压供水中的参数设置

变频器内置PID控制器参数的整定是基于PID算法，需整定的三个系数是比例系数Kp，积分系数Ki，微分系数Kd。

比例系数Kp对动态性能的影响，当Kp增大，系统动作灵敏度更高，响应速度更快；但Kp增大会造成振荡次数加多与需要调节时间更长。如果Kp太大，系统变得不稳定；如果Kp太小，系统动作会减慢，灵敏度降低[5-6]。对稳态性能的影响，Kp增大，在系统稳定条件下可减小静差，提高控制精度，但不能完全消除静差。

积分系数Ki对动态性能的影响，很多时候会让系统稳定性下降。当Ki值过大，系统趋于不稳定；当Ki值太小，对系统的性能影响将减少。当Ki值适当时，性能比较理想。Ki对稳态性能的影响，可以消除系统静差，提高控制系统精度。但Ki太小，积分作用太小，不能达到减小静差的作用。

微分系数Kd是利用微分控制来改善动态特性，当超调量减小，调节时间会缩短，可以增大比例控制减小静差，提高控制精度。但是Kd偏大或偏小时，超调量就会增大，调节时间会变长，只有适合的值才能有满意的过渡过程[7]。

在系统数值整定时，对系数应实行“先比例，后积分，再微分”的整定步骤。

（1）首先只整定比例部分。即将比例系数由小到大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应。

（2）加入积分环节。整定时可先给Ki一个较小值，并将比例系数Kp略调小，如0.7倍或0.8倍；然后逐渐增大Ki，保持系统在良好动态性能状态，静差能消除。在应用中可根据响应情况反复调整比例系数与积分系数[8]。

（3）若已用比例积分调节器消除静差，但动态稳定性经比例积分反复调整仍不能满足要求，则可加入微分环节。整定时可先置微分系数为0，逐渐增大Kd，并调整比例系数和积分时间。

在恒压供水系统中，以压力稳定作为整定标准。

7 基于变频器的楼宇恒压供水系统应用范围

（1）可用于生产、生活用水，热水供应，恒压喷淋等系统。

（2）可用于各种场合的恒压、变压、冷却水和循环供水系统。

（3）可用于污水泵站、污水处理及污水提升系统。

（4）可用于农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。

（5）可用于宾馆、大型公共建筑供水及消防系统。

8 结论

基于变频器的楼宇恒压供水系统在现实生活中可广泛应用，其可产生较大的社会效益，为居民、供水厂、消防等需要稳定压力均衡供水的地方提供可靠的无极调速供求，节约成本与环保，是集变频技术、电气控制技术、自动控制技术于一体的优良系统[9-10]。