基于變頻器的樓宇恒壓供水實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的研究

李珍珍

（南寧學(xué)院，廣西 南寧 530200）

0 引言

高樓層居民供水是老百姓現(xiàn)實(shí)生活中重要的基本生活保障。一般情況下供水方式有市政直接供水、蓄水池供水、二次增壓泵供水、恒壓供水。但市政直接供水與蓄水池供水方式，一般只適合6層樓高度以下的樓層，7樓以上樓層就容易出現(xiàn)供壓不足，影響高樓層的正常生活使用情況；蓄水池供水方式還需建立專門的儲水池，占地且容易造成二次污染，成本大。如是安裝二次增壓泵的供水方式，耗電多，成本大，且容易對低樓層形成水壓大沖擊，壓強(qiáng)不穩(wěn)定，水管容易爆裂或水龍頭易損壞，居民在用水時(shí)易出現(xiàn)水強(qiáng)噴出來的不適感。恒壓供水系統(tǒng)能解決壓力不穩(wěn)定、高峰用水期與少用水期的壓力波動(dòng)、二次污染、成本等問題，是目前最理想的供水方式。而基于變頻器的樓宇恒壓供水系統(tǒng)既節(jié)能也能恒穩(wěn)供水，且出現(xiàn)故障率小，供水效率高，質(zhì)量好，智能，可控。

1 樓宇變頻恒壓供水系統(tǒng)工作原理

基于變頻器的樓宇智能恒壓供水系統(tǒng)工作原理是把水管網(wǎng)上的壓力傳感器（閥）對實(shí)際用水水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣分析，并把壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，且這個(gè)電信號直接傳入變頻器的內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器；經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后的值與用戶設(shè)定的壓力值來進(jìn)行對比，并將對比結(jié)果通過運(yùn)算后的值轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，水泵啟動(dòng)臺數(shù)信號送至可編程控制器（PLC）。變頻器則可調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率來改變水泵的轉(zhuǎn)速；可編程控制器可通過PID調(diào)節(jié)器傳送水泵啟動(dòng)臺數(shù)的信號來控制水泵的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)。工作人員可根據(jù)水泵的實(shí)際工作臺數(shù)，睡眠狀態(tài)的水泵臺數(shù)，調(diào)節(jié)變頻泵轉(zhuǎn)速，可讓水管網(wǎng)的水壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，使供水泵“加升”的水量與水管網(wǎng)中時(shí)刻變化的用水量保持一致，達(dá)到量變但供水壓力恒穩(wěn)的效果。

供水系統(tǒng)可依據(jù)檢測到的水管網(wǎng)內(nèi)壓力，再經(jīng)過變頻器內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算來改變輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)水管網(wǎng)內(nèi)的恒壓供水。水管網(wǎng)內(nèi)壓力的極限信號可采用變頻器的頻率超限信號，可傳送到PLC進(jìn)行變頻泵的邏輯切換。把泵的啟停與其出口閥門聯(lián)動(dòng)，可防止水錘現(xiàn)象，模型搭建如圖1所示。

圖1 模型搭建Fig.1 Model constructing

2 基于變頻器的樓宇恒壓供水系統(tǒng)優(yōu)勢

基于變頻器的樓宇恒壓供水系統(tǒng)相對于其它樓宇供水形式有以下優(yōu)勢：

（1）顯著的節(jié)能，可自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）通過變頻器設(shè)備來改變電動(dòng)機(jī)頻率，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速可改變水泵出口壓力的作用，相比較利用調(diào)節(jié)閥門來控制水泵出口壓力的方法，變頻恒壓方式可降低管道阻力并減小截流損失效能。

（3）變頻泵是變頻工作，當(dāng)出口水流實(shí)際量未達(dá)到設(shè)定額定水流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速就會降低，從而減少損耗，延長泵與電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。水泵電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式選擇軟啟動(dòng)，加速可按設(shè)定時(shí)間，避免啟動(dòng)電流瞬時(shí)過大而對電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)，以及避免突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振，還可以徹底消除水錘現(xiàn)象。

（4）恒定壓力的自動(dòng)控制不需人工頻繁操作，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人力資源。

3 變頻器的工作原理

變頻器要想正常運(yùn)行，須有頻率信號和運(yùn)行信號。我們使用變頻器就是想通過變頻器來改變輸出頻率，從而調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器頻率給定信號的變化可改變變頻器的輸出頻率，頻率給定信號可來源以下四種方式：

3.1 操作面板設(shè)定

變頻器頻率最簡單的給定方式就是操作面板設(shè)定。操作面板中有數(shù)字鍵、上升與下降鍵、時(shí)間鍵等，可直接輸入設(shè)定數(shù)值。這種方式具有方便、快捷、簡單且具備監(jiān)控功能，精度和分辨率高，還可顯示變頻器運(yùn)行時(shí)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)數(shù)值。

3.2 外接電位器給定

變頻器外接電位器來調(diào)節(jié)頻率。

3.3 多功能輸入端子給定

變頻器多功能輸入端子可外接可編程控制器、開關(guān)、按鈕、繼電器的輸出點(diǎn)等外設(shè)備。兩個(gè)或多個(gè)端子通過功能設(shè)置用于頻率給定。

3.4 模擬量信號輸入給定

變頻器可以通過模擬量端子把外面輸入模擬量信號從而進(jìn)行給定，實(shí)現(xiàn)用改變模擬量大小來調(diào)整變頻器的實(shí)際輸出頻率。

（1）通過電壓信號輸入：普通變頻器基本具有兩個(gè)以上的電壓信號輸入端，可直接利用變頻器內(nèi)部電源通過外接電位器來獲取電壓信號。電壓范圍在0至±10V、0至±5V等。

（2）通過電流信號輸入：一般給定電流范圍為0-20mA。

（3）通過脈沖信號輸入：脈沖信號作為輸入頻率給定信號。

4 系統(tǒng)所需設(shè)備

基于變頻器的樓宇智能恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、閥門、變頻器、可編程控制器、壓力傳感器、管道、電動(dòng)機(jī)等組成。

4.1 系統(tǒng)實(shí)際考慮因素

（1）水泵的揚(yáng)程范圍應(yīng)大于實(shí)際供水范圍高度，至少達(dá)10%。

（2）水泵的總流量應(yīng)大于實(shí)際最大供水量，至少達(dá)10%。

（3）儲水柜容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量。

（4）選擇變頻器：應(yīng)根據(jù)區(qū)域用戶的實(shí)際用水量、需求供水量、高峰期與低谷期用水量、系統(tǒng)供水高度、所需系統(tǒng)穩(wěn)定性等綜合因素來確定水泵的型號以及所需臺數(shù)，把各因素?cái)?shù)值計(jì)算好后然后再選擇變頻器的型號。

（5）PLC選擇（可編程控制器）：能夠滿足系統(tǒng)的自動(dòng)控制要求，及適用環(huán)境，簡單、強(qiáng)大、快捷。

4.2 系統(tǒng)所選變頻器

ABB公司的ACS600系列變頻器是采用目前最先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)的高性能變頻器，具備先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。它具備功率范圍寬，控制速度優(yōu)良，轉(zhuǎn)矩控制顯著，保護(hù)功能完整，編程靈活，高可靠性和小體積等優(yōu)點(diǎn)。

主要參數(shù)有功率可調(diào)：2.2KW-3000kW

電源電壓：三相交流電：

380/400/415/440/460/480/500V電 壓 誤 差±10%；

電源頻率：48HZ-63Hz

控制連接端口：可編程模擬輸入（AI）端2個(gè)；可編程模擬輸出（AO）端1個(gè)；可編程數(shù)字輸入（DI）端5個(gè)；可編程數(shù)字輸出（DO）端2個(gè)。

通訊串行：方便變頻器與計(jì)算機(jī)連接串口的標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口。

保護(hù)性能：串行通訊故障保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、AI信號丟失保護(hù)、欠壓緩沖、過熱保護(hù)、短路保護(hù)、電機(jī)欠/過載保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、接地保護(hù)等。

外型結(jié)構(gòu)緊湊，小巧，安裝方便。

ABB變頻器獨(dú)特的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）功能是目前最先進(jìn)的電機(jī)控制方式，可對所有交流電機(jī)的核心變量都可以進(jìn)行直接控制，無需速度反饋就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。ACS600型號變頻器內(nèi)置PID、PFC、預(yù)磁通等八種應(yīng)用宏，可根據(jù)需求選擇自己需要的應(yīng)用宏，相應(yīng)的所有參數(shù)都會自動(dòng)設(shè)置，輸入輸出端子也會自動(dòng)配置，內(nèi)置的應(yīng)用宏配置節(jié)省了大量的調(diào)試時(shí)間及減少數(shù)據(jù)出錯(cuò)[1]。

4.3 PLC（可編程序控制器）的選取

SIMATICS7-200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能夠滿足中等性能要求的應(yīng)用場合；各種功能模塊能夠很好的滿足控制系統(tǒng)要求和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)模塊可以自行組合用來擴(kuò)展；多界面網(wǎng)絡(luò)能力與簡單實(shí)用分散式結(jié)構(gòu)應(yīng)用靈活，簡易無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，方便用戶使用；自帶I/O擴(kuò)展模塊，可自行根據(jù)需求選擇合適的模塊，當(dāng)系統(tǒng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展，且大規(guī)模集成功能讓它功能非常強(qiáng)勁[2-4]。

5 系統(tǒng)控制的相關(guān)要求

實(shí)驗(yàn)可在比較小的用水管網(wǎng)中（如：實(shí)驗(yàn)樓辦公室洗手臺）接入恒壓供水系統(tǒng)。在一樓進(jìn)水總管處接入一個(gè)水閥，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，關(guān)閉閥門，水流由變頻器所控制的泵進(jìn)入管網(wǎng)，通過控制泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制用水水管的水壓，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：

（1）維持水壓恒定；

（2）控制系統(tǒng)可手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行；

（3）多臺泵自動(dòng)切換運(yùn)行；

（4）系統(tǒng)的喚醒與睡眠狀態(tài)，當(dāng)外界停止用水時(shí)，系統(tǒng)處于睡眠，當(dāng)外界有用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒工作；

（5）在線調(diào)整PID參數(shù)；

（6）泵組及線路保護(hù)檢測報(bào)警，信號顯示等。

6 變頻器內(nèi)置PID控制器在恒壓供水中的參數(shù)設(shè)置

變頻器內(nèi)置PID控制器參數(shù)的整定是基于PID算法，需整定的三個(gè)系數(shù)是比例系數(shù)Kp，積分系數(shù)Ki，微分系數(shù)Kd。

比例系數(shù)Kp對動(dòng)態(tài)性能的影響，當(dāng)Kp增大，系統(tǒng)動(dòng)作靈敏度更高，響應(yīng)速度更快；但Kp增大會造成振蕩次數(shù)加多與需要調(diào)節(jié)時(shí)間更長。如果Kp太大，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；如果Kp太小，系統(tǒng)動(dòng)作會減慢，靈敏度降低[5-6]。對穩(wěn)態(tài)性能的影響，Kp增大，在系統(tǒng)穩(wěn)定條件下可減小靜差，提高控制精度，但不能完全消除靜差。

積分系數(shù)Ki對動(dòng)態(tài)性能的影響，很多時(shí)候會讓系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。當(dāng)Ki值過大，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定；當(dāng)Ki值太小，對系統(tǒng)的性能影響將減少。當(dāng)Ki值適當(dāng)時(shí)，性能比較理想。Ki對穩(wěn)態(tài)性能的影響，可以消除系統(tǒng)靜差，提高控制系統(tǒng)精度。但Ki太小，積分作用太小，不能達(dá)到減小靜差的作用。

微分系數(shù)Kd是利用微分控制來改善動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間會縮短，可以增大比例控制減小靜差，提高控制精度。但是Kd偏大或偏小時(shí)，超調(diào)量就會增大，調(diào)節(jié)時(shí)間會變長，只有適合的值才能有滿意的過渡過程[7]。

在系統(tǒng)數(shù)值整定時(shí)，對系數(shù)應(yīng)實(shí)行“先比例，后積分，再微分”的整定步驟。

（1）首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小到大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)。

（2）加入積分環(huán)節(jié)。整定時(shí)可先給Ki一個(gè)較小值，并將比例系數(shù)Kp略調(diào)小，如0.7倍或0.8倍；然后逐漸增大Ki，保持系統(tǒng)在良好動(dòng)態(tài)性能狀態(tài)，靜差能消除。在應(yīng)用中可根據(jù)響應(yīng)情況反復(fù)調(diào)整比例系數(shù)與積分系數(shù)[8]。

（3）若已用比例積分調(diào)節(jié)器消除靜差，但動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性經(jīng)比例積分反復(fù)調(diào)整仍不能滿足要求，則可加入微分環(huán)節(jié)。整定時(shí)可先置微分系數(shù)為0，逐漸增大Kd，并調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間。

在恒壓供水系統(tǒng)中，以壓力穩(wěn)定作為整定標(biāo)準(zhǔn)。

7 基于變頻器的樓宇恒壓供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍

（1）可用于生產(chǎn)、生活用水，熱水供應(yīng)，恒壓噴淋等系統(tǒng)。

（2）可用于各種場合的恒壓、變壓、冷卻水和循環(huán)供水系統(tǒng)。

（3）可用于污水泵站、污水處理及污水提升系統(tǒng)。

（4）可用于農(nóng)業(yè)排灌、園林噴淋、水景和音樂噴泉系統(tǒng)。

（5）可用于賓館、大型公共建筑供水及消防系統(tǒng)。

8 結(jié)論

基于變頻器的樓宇恒壓供水系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)生活中可廣泛應(yīng)用，其可產(chǎn)生較大的社會效益，為居民、供水廠、消防等需要穩(wěn)定壓力均衡供水的地方提供可靠的無極調(diào)速供求，節(jié)約成本與環(huán)保，是集變頻技術(shù)、電氣控制技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)于一體的優(yōu)良系統(tǒng)[9-10]。