簡介
水是萬物之源，在現實生產生活中不可或缺。在我國水資源和電能短缺的客觀現狀下，節水節能就成為了當前迫切需要進行推廣的。但是，長期以來在市政供水、高層建築供水、工業生產循環用水等幾個方面和供水技術一直比較落後且自動化程度低。主要表現在用水高峰期水的供給量常常低於需求量，水壓降低無法正常供水，但在用水低谷期水的供給量常常高於需求量，出現水壓升高供水供過於求的現象。這樣不僅造成水資源及電能的浪費，同時水壓過高有可能導致輸水管爆裂和用水設備的損壞。在這樣的歷史背景下，恆壓供水控制系統應運而生。
供水控制是自來水公司配水過程中重要的工序 ，在供水控制中，經過過濾、消毒等工藝處理達標的自來水通過大功率離心水泵送到城市自來水管網中，隨著居民用水或者其他用水用戶在不同時段用水量的不同，自來水公司送入到自來水管網中的水量也就不同。恆壓供水控制結合自來水公司多年的供水經驗，在不同時段設定不同的管網壓力，使得供水與用水之間保持平衡，不但提高了供水的質量。同時，通過變頻技術降低能耗，提高設備運行的可靠性。
國內外研究概況
恆壓供水控制系統是在變頻調速技術的發展之後逐漸發展起來的。變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。套用在變頻恆壓供水控制系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網壓力恆定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力感測器，對壓力進行閉環控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恆壓供水工程在設計時都採用一台變頻器只帶一台水泵機組的方式，幾乎沒有用一台變頻器拖動多台水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發明並首家生產變頻器(丹佛斯是傳動產品全球五大核心供應商之一)後，隨著變頻技術的發展和變頻恆壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可後，國外許多生產變頻器的廠家開始重視並推出具有恆壓供水控制功能的變頻器，像瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司推出了恆壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。
目前國內有不少在做變頻恆壓供水工程的公司，大多採用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速。對於水管的管網壓力的閉環調節及多台水泵的循環控制，有的採用可程式控制器(PLC)及相應的軟體予以實現；有的採用單片機及相應的軟體予以實現。在系統的動態性能、穩定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恆壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接PLC和PID調節器，可完成最多四台水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實現七台水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用於小容量，控制要求不高的供水場所。
可以看出，目前在國內外變頻調速恆壓供水控制系統的研究設計中 ，對於能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網路和通訊技術的變頻恆壓供水系統的水壓閉環控制的研究還是不夠的。因此，有待於進一步研究改善變頻恆壓供水系統的性能，使其能被更好的套用於居民生活、工業生產中。
採用變頻調節以後，系統實現了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應延長，對電網沒有較大的衝擊，減輕了起動機械轉矩對於電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調控方式以穩定水壓為目的，各種最佳化方案都是以水管進口壓力保持恆定為條件，實際上給水泵站的出口壓力允許在一定範圍內變化。因此這種調控方式縮小了最佳化範圍，所得到的解為局部最優解，不能完全保證泵站始終工作在最優狀態。
變頻調速優於以往的調壓調速、變極調速、串級調速等調速方法，其是當今國際上一項效益最高、性能最好、套用最廣、最有發展前途的電機調速技術.它採用微機控制技術；電力電子技術和電機傳動技術實現了工業交流電動機的無級調速，具有高效率、寬範圍和高精度等特點。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。
變頻恆壓供水系統的特點
傳統的供水方式普遍存在不同程度水力、電力資源的浪費；供水系統效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業系統中用水。目前的供水方式朝向高效節能、自動可靠的方向發展，變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、製冷壓縮機等高能耗設備上廣泛套用，特別是城鄉工業用水的各級加壓系統，居民生活用水的恆壓供水系統中，變頻調速水泵節能效果尤為突出，其優越性表現在：一是節能顯著；二是在開、停機時能減少電流對電網的衝擊以及供水對管網系統的衝擊；三是能減少水泵、電機自身的機械衝擊損耗。
變頻恆壓供水系統能適用生活水、工業用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統具有以下特點:
(1)變頻恆壓供水系統的控制對象是用戶管網的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的回響具有滯後性。同時用於水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯後效應。
(2)變頻調速恆壓供水系統是一個線性系統。由於用戶管網中有管阻、水錘等因素的存在，同時又水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網壓力的變化成線性變化。
(3)變頻調速恆壓供水系統面向各種各樣的供水系統具有廣泛的通用性，而不同的供水系統管網結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。
(4)變頻調速恆壓供水系統的控制對象是時時變化的。由於系統中有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發生的，同時定量泵的運行狀態直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發生變化。
(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統能根據泵及變頻器或軟啟動器的狀態，電網狀況及水源水位，管網壓力等工況點自動進行切換，保證管網內壓力恆定。在故障發生時，執行專門的故障程式，保證在緊急情況下的仍能進行供水。
恆壓供水系統原理
系統原理框圖
如圖，整個系統由電機泵組（3台）、一台變頻調速器、一台PLC300和一個壓力感測器及若干輔助部件構成。三台水泵中每台泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節水量之用，三台水泵協調工作以滿足供水需要；變頻供水系統中檢測管路壓力的壓力感測器，一般採用電阻式感測器（反饋0—5V電壓信號）或壓力變送器（反饋4—20mA）；變頻器是恆壓供水系統的核心，通過改變電機的頻率實現電機的無極調速、波動穩壓的效果和各項功能。
系統原理框圖工作原理
其工作原理是 ：通過安裝在出水管網上的壓力感測器，把出水口壓力信號變成4~20mA的電流信號送至變頻器，再通過變頻器的A/D轉換模組將模擬量變成數字量，同時變頻器的A/D轉換模組也將壓力設定值轉換成數字量，兩個數據同時經過PID控制模組進行比較，PID根據變頻器的參數設定進行數據處理，並將數據處理的結果以運行頻率的形式進行輸出控制，這樣運行頻率的變化就可以改變水泵電機的轉速，進而可調節供水量。根據用水量的不同，變頻水泵的工作頻和率轉速也不同，在變頻器設定中設定一個上限頻率和下限頻率檢測，當用水量大則供水壓力低於設定值時，變頻器頻率上升到上限頻率，此時變頻器輸出一個開關信號給PLC；當用水量處於低峰時供水壓力升高，變頻器輸出頻率降低到下限頻率時，變頻器輸出一個開關信號給PLC，這兩個信號不會同時產生，但任何一個信號反饋到PLC都會影響PLC的輸出，以實現切換交流接觸器組，以此協調投入工作的水泵電機台數，並完成電機的啟停和、變頻與工頻切換。通過調整投入工作的電機的台數和控制電機組中一台電機的變頻轉速，使系統管網的工作壓力始終穩定，進而達到恆壓供水的目的。
恆壓供水系統的組成
變頻調速恆壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、以及報警裝置等部分組成 。
（1）執行機構
執行機構是由一組水泵組成，它們用於將水供入用戶管網.通常這些水泵包括:
量泵:是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恆定。
定量泵:水泵運行只在工頻狀態，速度恆定，它們用以在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充.
（2）信號檢測
在系統控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號： 水壓信號：它反映的是用戶管網的水壓值，它是恆壓供水控制系統的主要反饋信號。
報警信號：它反映系統是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。
（3）控制系統
供水控制系統一般安裝在供水系統櫃中，包括供水控制器（PLC系統）、變頻器和電控設備三個部分。
供水控制器：它是整個變頻恆壓控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的工況、壓力、報警信號進行採集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構（即水泵）進行控制。
變頻器：它是對水泵進行轉速控制單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。
電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用於在供水控制器的控制下完成對水泵的切換等。
(4)人機界面
人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統設定。
（5）通訊接口
通訊接口是本系統的一個重要組成部分，通過該接口，系統可以和組態軟體以及其他的工業監控系統進行數據交換。
（6）報警裝置
作為一個控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由於本系統能適用於不同的供水領域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等造成的故障，因此系統必須要對各種報警量實時反饋，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。
控制系統程式設計
系統的控制功能主要通過軟體實現，根據系統的控制要求，該系統的控制程式主要包括以下幾大部分 。
1、起動程式。
2、增/減泵程式。
為了恆定水壓，泵組在運行過程中，須根據管網的壓力變化而自動切換水泵電機的工作，而增/減泵的通知信號主要來自於變頻器的FU和OL兩個輸出端的信號，但為了判斷變頻器工作頻率達到上、下限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上、下限情況，
故程式中採取時間濾波，以保證提高增減泵的可靠性，另外，為了避免某一台泵由於連續運行時間過長而降低了泵的使用壽命部，應合理的安排泵的運行時間，故任一台泵連續變頻運行不得超過3H。因此每次需啟動新泵或切換變頻泵時，應以新運行泵為變頻泵。減泵時應按 “先開先停”的原則進行運行和退出。
3、保護程式
對系統的保護主要包括了系統的過載、欠壓和水池水位下限等保護。過載和水位下限主要通過程式實現，而欠壓保護則通過硬體實現，為了防止同一電機的兩個接觸器同時接通而造成對變頻器的傷害，在程式和硬體接線上者體現了聯鎖保護功能的提高運行的可靠性。
4、變頻器的關斷與運行程式
每次啟動新泵或切換變頻泵時，應將正在運行的變頻器上切除，並接上工頻電源運行，且應將變頻器復位並用於新運行泵的啟動若有電源瞬時停電或故障的情況，則系統停機，待電源恢復正常或排除故障後，系統自動恢復到初始狀態開始運行。
5、故障處理程式
故障處理程式主要包括水位下限故障、變頻器運行故障處理程式及報警信號程式。
套用範圍
1、新建的住宅小區、別墅、寫字樓、綜合樓生活供水 。
2、高層建築、消防用水、高級賓館飯店等的生活供水。
3、氣壓給水,地面水池加壓等傳統供水系統改造。
4、各種鍋爐冷水供水系統、鍋爐熱水。
5、自來水廠的中間加壓泵站、自來水二次增壓。
6、各工礦企業的生產、生活用水、管網穩壓。
7、各種類型的循環水、冷卻水供應系統。
8、自來水壓力不能滿足要求的生活、消防加壓供水等。
