淺談水泵恒壓供水控制技術(shù)

王小龍

（寧波寶新不銹鋼有限公司設(shè)備部，浙江寧波 315807）

0 引言

寶新不銹鋼公司的自來水加壓泵站是把站內(nèi)水池儲存的城市自來水用供水泵加壓向管道供水，各用戶點從供水管道上取水。各用戶點不僅有生活用水，也有生產(chǎn)用水，所以對供水壓力有一定要求。

1 設(shè)備狀況

自來水加壓泵站共有4 臺供水泵：2 臺供水泵揚程為40 m、功率為18.5 kW、流量為100 m3/h，另2 臺水泵揚程為40 m、功率為11 kW、流量為50.4 m3/h。自來水水池容積為432 m3。站房要求供水壓力0.35 MPa，供水最大流量200 m3/h。

自來水加壓泵站的供水對象包括：①生產(chǎn)機組。設(shè)備冷卻用水，用水量60 m3/h，無規(guī)律；②生活用水。包括食堂、浴室、廁所。食堂用水主要集中在每天9：00～11：00，15：00～17：00，21：00～23：00，用水量為60 m3/h；浴室用水主要集中每天下班前的14：30～15：30，16：00～17：00，22：30～23：30，6：00～7：00，用水量為80 m3/h。

站房電氣主回路如圖1，控制邏輯：每臺供水泵既可變頻器控制，也可工頻控制，具體控制方式由PLC 通過反饋的水壓大小來判斷。

圖1 站房電氣主回路

圖2 控制功能圖

2 工作原理

站房4 臺供水泵可以工頻運行，也可以變頻器控制，由PLC控制4 臺泵的運行，控制功能圖（圖2）。

在自動模式下，PLC 對比設(shè)定供水壓力與實際供水壓力，通過變頻器啟動第一臺供水泵；當(dāng)供水泵達到全速運行后，如果供水壓力仍達不到設(shè)定壓力值時，PLC 會自動將該供水泵由變頻運行切換到工頻運行，然后由變頻器自動啟動第二臺供水泵；當(dāng)供水壓力偏高且變頻器處于設(shè)定的下限頻率運行時，第一臺工頻運行的供水泵電機將自動停機；如果供水壓力再次達不到設(shè)定壓力值時，PLC 會自動將變頻運行的供水泵切換至工頻運行，然后再次變頻啟動另外一臺處于變頻狀態(tài)的備用泵；以此順序運行，直到出口壓力達到設(shè)定的要求值。

在手動模式下，根據(jù)壓力現(xiàn)場手動啟動單臺供水泵，并且可以設(shè)定是由工頻啟動還是由變頻啟動。

3 供水問題

自來水加壓泵站為1#和2#食堂、1#和2#浴室、1#和2#辦公樓提供生活用水，為3#酸洗機組提供生產(chǎn)用水。站房供水壓力設(shè)定值為0.35 MPa，供水泵由變頻器控制直接供應(yīng)用戶，由于用水點多，用水時間無規(guī)律，供水量很不均勻，供水流量曲線呈現(xiàn)從（0～110）m3/h 不等的鋸齒波狀。為保證供水壓力，供水泵開啟臺數(shù)較多，供水壓力長期達到0.44 MPa（圖3），能量浪費嚴重。

供水壓力≤0.38 MPa 時，運行1 臺水泵；水壓達到0.45 MPa 左右時，運行2 臺水泵，使供水管道長期達到高水壓，也是一種能源浪費。

圖3 改造前供水流量及供水壓力曲線

4 原因分析

用戶使用量為（0～110）m3/h，1 臺水泵流量為100 m3/h，現(xiàn)在站房經(jīng)常自動開啟2 臺水泵，額定流量為150 m3/h 或200 m3/h，致使供水壓力長期達到0.44 MPa，超過設(shè)定0.09 MPa，對供水管道是一種損害。

分析變頻器的工作模式，站房變頻器使用西門子公司產(chǎn)品（MICROMASTER 430），控制方式為帶拋物線特性的（平方特性）的V/f 控制（P1300=2），此控制模式的經(jīng)驗曲線為向下的拋物線（圖4）。

當(dāng)用水量增大、供水管道壓力減小時，變頻器開始升頻，開始時水泵的轉(zhuǎn)速不但不增大，反而有所減小，對外表現(xiàn)的現(xiàn)象是升速響應(yīng)慢。壓力不夠時，馬上再啟動一臺水泵。

變頻器的主要參數(shù)：

P1300=2

變頻器控制方式選擇為帶拋物線特性（平方特性）的V/f 控制

P1310=50 連續(xù)提升值為50

圖4 控制模式曲線

P0304=380 V 電動機額定電壓

P1316=16 提升結(jié)束點的頻率

P0310=50 電動機額定頻率

P1080=35 最低頻率

P1082=50 最高頻率

5 改進措施

為讓變頻器隨供水管道水壓變化的響應(yīng)時間加快，供水管道水壓緊盯變頻器設(shè)定壓力0.35 MPa，改變變頻器的控制模式，使變頻器由原來帶拋物線特性（平方特性）的V/f控制改為采用PID 控制方式。

根據(jù)生產(chǎn)用戶要求，把設(shè)定的控制壓力設(shè)定為0.35 MPa，通過調(diào)節(jié)PID 參數(shù)使站房出口壓力維持在設(shè)定壓力附近（圖5）。

通過控制PID 的參數(shù)：增益Δ，積分時間T1和微分時間T2，使實際水壓實時響應(yīng)緊跟設(shè)定值，達到無論外界用水量怎樣變化，始終保持水壓值穩(wěn)定（圖6）。

變頻器的主要參數(shù)：

P2253＝2250 已激活的PID 設(shè)定值

P2240＝35%

P2280＝3 PID 比例增益系數(shù)

P2285＝5 s PID 積分時間

P2291＝100 PID 輸出上限

P2292＝60 PID 輸出下限

r2294 實際的PID 輸出

r752 是反饋信號輸入值，壓力數(shù)據(jù)通過r0752可以讀取顯示；r2266 壓力數(shù)據(jù)讀取顯示,

P2264＝755.0 模擬量輸入1 設(shè)定值,壓力信號直接接入3 端＋和4 端－（755.1 為模擬量輸入2，接入10 端＋和11 端－）

6 效果

6.1 供水曲線如圖7

6.2 經(jīng)濟效益

圖5 壓縮空氣壓力PID 曲線

圖6 PID 功能參數(shù)圖

圖7 改造后供水流量及供水壓力曲線

變頻器參數(shù)改造前，自來水加壓泵站經(jīng)常運行2 臺泵（1 臺工頻＋1 臺變頻）；變頻器參數(shù)改造后，自來水加壓泵站只運行1 臺泵（變頻）就可以滿足需要。

經(jīng)統(tǒng)計改造前2 個月內(nèi)的耗電量為43 199kW·h，每小時消耗電能＝43199÷60÷24＝29.999 度≈30.0 kW·h；

改造后2 個月內(nèi)的耗電量為8044kW·h，每小時消耗電能＝8044÷60÷24＝5.586 度≈5.6 kW·h。即實施前每小時耗電量30.0 kW·h，實施后每小時耗電量5.6 kW·h。

公司每度電平均電價0.7 元/kW·h，年直接經(jīng)濟效益＝（實施前每小時耗電量－實施后每小時耗電量）×24 h×365 天×公司每度電平均電價－開發(fā)費用＝（30.0－5.6）×24×365×0.7＝14.9 萬元

7 供水安全

自來水加壓泵站的控制思想如下：取供水管道的壓力信號P（如圖8），通過壓力控制器設(shè)定供水壓力值（設(shè)定值為0.35 MPa），傳輸給PLC，由PLC 送信號給變頻器，變頻器采用PID 控制模式，控制1#水泵的運行。由于用水點多，用水時間無規(guī)律，供水量很不均勻，供水流量曲線呈現(xiàn)從（0～110）m3/h 不等的鋸齒波狀波動。特別是員工下班洗澡的高峰時間，浴室的用水量增加很多，會使站房供水壓力降到0.28 MPa 以下約60 min；而且夏季發(fā)生雷擊時，由于PLC 或變頻器的自身保護，PLC 或變頻器會發(fā)生停運現(xiàn)象，將使自來水加壓泵站停止供水，導(dǎo)致機組停機。

當(dāng)自來水使用量波動大和PLC 或變頻器故障時，為增強自來水加壓泵站對外供水壓力的安全穩(wěn)定性，單獨增加1 路獨立的電氣控制線路（如圖9）：

在壓力控制器上設(shè)置低水壓報警點（0.28 MPa），當(dāng)?shù)退畨簣缶瘯r，輸出1 個信號，不經(jīng)過PLC 和變頻器，直接自動控制另一臺水泵(如2#泵)的起動，而此水泵的停運需要人工確認。

實施后效果：

（1）當(dāng)外界使用量大而供水壓力比較低時，自動開啟另一臺水泵。

（2）當(dāng)變頻器或PLC 出現(xiàn)故障時，自動開啟另一臺水泵。

8 初次變頻器的安裝及參數(shù)設(shè)置

變頻器（型號：MICROMASTER 430）的壓力輸入信號為二線制（4～20）mA（如圖10），變頻器電氣主回路連接的是三相異步電動機，

變頻器外部信號接線圖及各外部端子的接法：

18#端子左邊的AN1、AN2 撥碼開關(guān)拔到ON，表示輸入的信號為（0～20 ）mA 的模擬量信號；

9#端子＝24 V，28#端子＝0 V 28#端子與11#端子短接；

水泵壓力信號接入3#端子＋和4#端子－（參數(shù)設(shè)置P2264＝755.0 輸入為1 時）；水泵壓力信號接入10#端子＋和11#端子－（參數(shù)設(shè)置P2264＝755.1 輸入為2 時）。

圖8 改造前供水管道的壓力信號控制圖

圖9 改造后供水管道的壓力信號控制圖

圖10 變頻器外接線圖

5#端子連接“接通正轉(zhuǎn)/ 停車命令”（參數(shù)設(shè)置P0701＝1）

6#端子連接“固定頻率設(shè)定值 (直接選擇) ”（參數(shù)設(shè)置P0702＝15）

7#端子連接“故障確認”

26#端子連接“變頻器故障”（參數(shù)設(shè)置P0731＝52.3）

27#端子連接“變頻器報警”（參數(shù)設(shè)置P0732＝52.7）

28#端子連接“變頻器故障”（參數(shù)設(shè)置P0733＝52.3）

9 參數(shù)設(shè)置

PID 控制功能圖（圖11）

遵照PID 的原理控制圖，其參數(shù)如下：

P0700＝2 由端子排輸入

P0701＝1

圖11 PID 控制功能圖

ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn)/ 停車命令1）變頻器外部輸入端子5

P0702＝15

固定頻率設(shè)定值（直接選擇）變頻器外部輸入端子6

P0703＝9 故障確認 變頻器外部輸入端子7

P0731＝52.3 變頻器故障 變頻器外部輸出端子26

P0732＝52.7 變頻器報警 變頻器外部輸出端子27

P0733＝52.3 變頻器故障 變頻器外部輸出端子28

P756＝2 選擇（0-20）mA 輸入

P757＝4 最小值4 mA

P759＝20 最大值20 mA

P761＝4 死區(qū)為4 mA

P1000＝1 頻率設(shè)定的選擇 即為面板

P2200＝1 允許PID 進行閉環(huán)控制

P2231＝1 PID 設(shè)定值的保存

P2240＝35%

PID-MOP 面板的設(shè)定值，允許用戶以［%］值的形式 設(shè)定的PID 設(shè)定值 表示3.5 kg 壓力

P2253＝2250 已激活的PID 設(shè)定值

P2257＝2S 加速時間

P2258＝2S 減速時間

P2264＝755.0

模擬量輸入1 設(shè)定值,壓力信號直接接入3 端＋和4 端－（755.1 為模擬量輸入2，接入10 端＋和11 端－）

P2280＝3 PID 比例增益系數(shù)

P2285＝5 s PID 積分時間

P2271＝0 反饋信號加大,電機減速,恒壓供水

P0757［2］＝4 標(biāo)定ADC 的x1 值［V/mA］

P075［2］＝0 標(biāo)定ADC 的y1 值（表示4 mA 對應(yīng)的壓力占壓力表量程的百分比）

P0759［2］＝20

標(biāo)定ADC 的x2 值［V/mA］

P0760［2］＝100

標(biāo)定ADC 的y2 值（表示20 mA 對應(yīng)的壓力占壓力表量程的百分比）

P2265＝0.1 PID 反饋濾波時間常數(shù)

P2269＝100

PID 反饋信號的增益

P2267＝100

PID 反饋信號的上限值

P2268＝0

PID 反饋信號的下限值

P2291＝100 PID 輸出上限

P2292＝60 PID 輸出下限

P2293＝3 PID 限幅值的斜坡上升/ 下降時間

以下為選用參數(shù)：

r752 是反饋信號輸入值，壓力數(shù)據(jù)通過r0752 可以讀取顯示；r2266 壓力數(shù)據(jù)讀取顯示,

r2272 PID 反饋值讀取顯示，用戶以[%]值的形式顯示,如果沒有或0，可能是輸入信號有問題，檢查輸入信號。

r2262 顯示PID 設(shè)定值，允許用戶以[%]值的形式顯示

r2294 CO:實際的PID 輸出

P2264＝755.0 如果模擬量輸入是1 即3+4-設(shè)定值為P2264＝755.0

P2269 PID 反饋信號增益，默認值為100%，注意要看P2272 是多少；如果P2272≤10，建議用10%，那么P2240 的設(shè)定值為如上的35%。否則P2272 如果≤10，默認值為100%，那么P2240 的設(shè)定值也是對應(yīng)的為≤10。

10 推廣

隨著變頻器和PLC 技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便的特點，使其成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要裝置之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得和民用和家庭自動化的應(yīng)用得到迅速的發(fā)展。

由于變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC 作為中心控制單元，利用變頻器與PID 結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。

11 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用PLC 和變頻器結(jié)合，系統(tǒng)運行穩(wěn)定安全可靠，實現(xiàn)真正意義上的無人職守，保證各水泵運行效率的最優(yōu)，消除了啟動大電流沖擊，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時閥門的水錘效應(yīng)。該控制系統(tǒng)可以是大型公共社區(qū)如高校、居民小區(qū)等處的性能、價格比較高的優(yōu)選方案。