一種全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備的設(shè)計(jì)

彭安群

（上海連成（集團(tuán)）有限公司 上海 201813）

1 研究背景

“一控多”供水控制系統(tǒng)雖然可以滿足日常生活供水需求，但是，具有以下缺陷：（1）對(duì)設(shè)備壽命的影響：在電動(dòng)機(jī)帶水泵負(fù)載時(shí)，切換發(fā)生瞬間，水泵在水壓作用下迅速停車，產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，對(duì)水泵及管網(wǎng)造成沖擊；而且在水泵受損害的同時(shí)，因高水壓與定子反電勢(shì)疊加，電動(dòng)機(jī)將承受10 倍額定電流以上的沖擊電流，影響其使用壽命；（2）對(duì)出水壓力的影響；在增加或減少工頻泵時(shí)，系統(tǒng)的供水壓力無法做到平穩(wěn)過渡，在增加工頻泵時(shí)，不可避免會(huì)對(duì)供水壓力造成沖擊波動(dòng)；（3）對(duì)用水安全性的影響：因系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻器，若變頻器發(fā)生故障時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)若恢復(fù)正常供水至少3 天以上，影響用水安全；（4）對(duì)能耗的影響：系統(tǒng)在加減泵的同時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)壓力的波動(dòng)，這樣降低泵組的運(yùn)行效率，增大了能耗。

2 全變頻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了解決現(xiàn)有的變頻恒壓供水系統(tǒng)的不足之處，筆者研發(fā)出一種全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備，采用新一代的數(shù)字集成水泵專用變頻控制器，每臺(tái)水泵均獨(dú)立配置一臺(tái)背覆式數(shù)字集成水泵專用變頻控制器，設(shè)備通過壓力傳感器檢測(cè)水泵出口的壓力，將檢測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行比較，確定水泵投入運(yùn)行的臺(tái)數(shù)和每個(gè)變頻器的輸出頻率，控制每臺(tái)泵都在其高效區(qū)運(yùn)行。

其結(jié)構(gòu)包括N 臺(tái)水泵，N 臺(tái)變頻器、邏輯控制器、觸摸屏、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單元等。如圖1 所示，水泵組1（M1,M2,M3）與變頻器組2（VVVF1,VVVF2,VVVF3）為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵；邏輯控制器4（PLC）通過RS485 通訊接口讀取變頻器組2 的運(yùn)行數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、電流、電壓等）；觸摸屏3（HMI）上設(shè)定系統(tǒng)所需參數(shù)（設(shè)定壓力、加泵延時(shí)、減泵頻率、輪換時(shí)間、P 值、I 值等），同時(shí)，顯示系統(tǒng)水泵組1 及變頻器組2 的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)；現(xiàn)場(chǎng)儀表5 采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（壓力、溫度、流量等），并將之傳輸給邏輯控制器4（PLC）；邏輯控制器4（PLC）把設(shè)定壓力和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓力進(jìn)行比較處理通過PID 計(jì)算輸出相應(yīng)合適的運(yùn)行頻率給變頻器組2（VVVF1,VVVF2,VVVF3）調(diào)整水泵組1（M1,M2,M3）的運(yùn)行，使給水設(shè)備維持恒壓運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖1 所示。

圖1 全變頻恒壓控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

3 全變頻控制系統(tǒng)的具體工作原理

3.1 全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備水泵專用變頻控制系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，任一水泵采用變頻模式接入，通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。邏輯控制器通過PID 運(yùn)算，統(tǒng)一調(diào)節(jié)所有變頻水泵的轉(zhuǎn)速以保持管網(wǎng)壓力的恒定。隨著用水量的增大，系統(tǒng)出水管路處檢測(cè)到的壓力小于系統(tǒng)設(shè)定壓力值時(shí)，自動(dòng)調(diào)高水泵轉(zhuǎn)速使出口壓力增大接近設(shè)定壓力值，若在加泵延時(shí)時(shí)間（可設(shè)定）內(nèi)未達(dá)到壓力恒定，系統(tǒng)投入另外一臺(tái)變頻泵，兩臺(tái)變頻泵運(yùn)行頻率一致，頻率統(tǒng)調(diào)，以此循環(huán)加泵，直至達(dá)到壓力恒定。隨著用水量的減少，系統(tǒng)出水管路處檢測(cè)到的壓力大于系統(tǒng)設(shè)定壓力值時(shí)，自動(dòng)調(diào)低投入的所有變頻泵的轉(zhuǎn)速，使出口壓力減小接近設(shè)定壓力值，若變頻泵的頻率減小到減泵頻率（可設(shè)定）時(shí)，出口壓力仍大于設(shè)定壓力值，系統(tǒng)將以先啟先停的原則停止水泵的運(yùn)行，直至達(dá)到壓力恒定。當(dāng)只剩一臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí)，若用水量進(jìn)一步減少，變頻泵的運(yùn)行頻率下降到睡眠頻率（可設(shè)定），在一定時(shí)間的睡眠延遲（可設(shè)定）后，系統(tǒng)自動(dòng)停止這臺(tái)泵的運(yùn)行，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至喚醒壓力（可設(shè)定）時(shí)，水泵自動(dòng)投入運(yùn)行。所有水泵停止后再啟動(dòng)或輪換時(shí)間（可設(shè)定）到的情況下，水泵交替運(yùn)行，保證每臺(tái)泵工作時(shí)間相同，以防止某臺(tái)泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，增加故障率。當(dāng)系統(tǒng)中的任一臺(tái)或幾臺(tái)變頻器或水泵發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)排除故障泵，組成新的系統(tǒng)，保證了現(xiàn)場(chǎng)的正常供水，提高了系統(tǒng)的工作效率。

3.2 全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備工作原理

設(shè)備投入運(yùn)行，市政管網(wǎng)的水源通過防負(fù)壓模塊流入穩(wěn)流補(bǔ)償裝置至水泵進(jìn)水口。當(dāng)供水樓層小于6 層，市政管網(wǎng)壓力能滿足用戶用水要求時(shí)，水泵無須啟動(dòng)，由設(shè)備設(shè)置的直供裝置直接供水；

當(dāng)供水樓層大于6 層，市政管網(wǎng)壓力無法滿足用戶用水要求時(shí)，系統(tǒng)通過檢測(cè)裝置將信號(hào)反饋給控制中心，控制水泵變頻啟動(dòng)，利用市政管網(wǎng)壓力進(jìn)行疊壓供水，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)出口壓力恒定。一臺(tái)水泵達(dá)到工頻轉(zhuǎn)速運(yùn)行但壓力達(dá)不到設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)按順序啟動(dòng)下一臺(tái)水泵；隨著用水量的減少，出口壓力上升，水泵的轉(zhuǎn)速逐漸降低，如果水泵的轉(zhuǎn)速降至系統(tǒng)設(shè)置的最低轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)將以先啟動(dòng)先停的原則停止水泵運(yùn)行。

當(dāng)市政管網(wǎng)供水能力處于供水系統(tǒng)設(shè)定下限保護(hù)值時(shí)，系統(tǒng)通過檢測(cè)裝置將信號(hào)反饋給控制中心，控制防負(fù)壓模塊工作，工作泵降頻運(yùn)行，防止過量從市政管網(wǎng)取水，杜絕產(chǎn)生負(fù)壓，影響整個(gè)市政供水管網(wǎng)系統(tǒng)，從而達(dá)到真正的無負(fù)壓功能。

當(dāng)市政管網(wǎng)停水，穩(wěn)流補(bǔ)償裝置中液位處于最低液位保護(hù)值時(shí)，配套的液位傳感器將信號(hào)傳輸至控制中心，控制水泵停止運(yùn)行，防止水泵干轉(zhuǎn)，損壞電機(jī)；市政管網(wǎng)水源恢復(fù)供水，穩(wěn)流補(bǔ)償裝置中液位高于最低液位保護(hù)值時(shí)，水泵自動(dòng)運(yùn)行，恢復(fù)正常供水。設(shè)備原理如圖2 所示，各編號(hào)分別為：（1）控制系統(tǒng)；（2）壓力傳感裝置；（3）超高壓保護(hù)裝置；（4）穩(wěn)壓裝置；（5）出水總管；（6）泵出水閥組；（7）加壓泵組；（8）泵進(jìn)水閥組；（9）進(jìn)水總管；（10）穩(wěn)流補(bǔ)償裝置；（11）液位探測(cè)裝置；（12）防負(fù)壓模塊；（13）過濾裝置；（14）防倒流裝置；（15）水泵專用變頻控制器。

圖2 全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備原理圖

4 全變頻控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

此全變頻控制系統(tǒng)中每臺(tái)水泵均獨(dú)立配置一個(gè)專用變頻器，變頻器根據(jù)邏輯控制器PLC 的PID 輸出自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，通過變頻器內(nèi)置通訊技術(shù)或控制器的數(shù)據(jù)采集及邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)變頻恒壓控制。

5 全變頻控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）此系統(tǒng)可以保持恒定壓力：系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測(cè)出口壓力，將檢測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，確定水泵投入臺(tái)數(shù)和變頻器輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的。（2）具有高度自動(dòng)化的特點(diǎn)：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，標(biāo)配邏輯控制器、人機(jī)界面等，可在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，并以組態(tài)畫面和曲線的方式模擬設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)運(yùn)行參數(shù)和故障信息進(jìn)行記錄查詢，更加智能化。（3）節(jié)能：多臺(tái)變頻水泵頻率統(tǒng)調(diào)，運(yùn)行情況下的效率均衡，無論系統(tǒng)運(yùn)行工況如何變化，水泵始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，達(dá)到更理想的節(jié)能效果；（4）防止“水錘”產(chǎn)生：系統(tǒng)為全變頻運(yùn)行，在加減泵切換過程中做到無縫對(duì)接，平穩(wěn)過渡，避免了因瞬間停車對(duì)水泵及管網(wǎng)帶來的巨大沖擊，保證了管網(wǎng)的安全；（5）保證用水安全：當(dāng)系統(tǒng)有一臺(tái)或幾臺(tái)變頻器或泵發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)跳過故障泵，組成新的系統(tǒng)，保證了現(xiàn)場(chǎng)的正常供水；（6）同時(shí)，系統(tǒng)還具備根據(jù)水位信號(hào)防空轉(zhuǎn)、溫度信號(hào)防凍、停電后自動(dòng)復(fù)位、故障報(bào)警等功能。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者研發(fā)的全變頻數(shù)字集成管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備采用一泵一變頻的水泵專用變頻控制系統(tǒng)，通過變頻器內(nèi)置通訊技術(shù)或控制器的數(shù)據(jù)采集及邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)頻率統(tǒng)調(diào)，達(dá)到多臺(tái)水泵運(yùn)行情況下的效率均衡，無論系統(tǒng)運(yùn)行工況如何變化，水泵始終在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)能耗浪費(fèi)現(xiàn)象，達(dá)到更理想的節(jié)能效果。同時(shí)，兼顧了節(jié)能、軟啟軟停、超壓保護(hù)、切換水泵壓力平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。