智能變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用研究

陳遠(yuǎn)企

（佛山市三水麗日?qǐng)?jiān)美房地產(chǎn)有限公司， 廣東 佛山 528100）

引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，目前城市住宅小區(qū)的層高普遍達(dá)到20 層以上，對(duì)居民用水和供水提出了更高的要求，傳統(tǒng)的增壓供水的方案，會(huì)導(dǎo)致低層住戶供水壓力過大而高層住戶的供水壓力不足，特別是當(dāng)同時(shí)用水的住戶數(shù)量增加時(shí)，將極易影響到高層區(qū)域住戶的用水可靠性。同時(shí)傳統(tǒng)供水方案的供水能耗較大，無法滿足現(xiàn)代化的低能耗、高穩(wěn)定性供水需求。

經(jīng)過對(duì)多種供水方案分析后，本文提出了一種新的智能變頻恒壓供水系統(tǒng)，其采用了變頻恒壓供水方案，利用階梯控制和模糊PID 控制方式，實(shí)現(xiàn)了不同高度區(qū)域、不同用戶數(shù)量情況下的恒壓平穩(wěn)供水。在對(duì)該恒壓供水系統(tǒng)特性、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上利用仿真分析軟件對(duì)其恒壓控制效果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)能夠在不同供水情況下將供水壓力變化控制在±0.05 MPa 的范圍內(nèi)，顯著降低了供水時(shí)的壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了不同工況下供水的穩(wěn)定性，同時(shí)降低了供水時(shí)的噪聲和功耗，極大地改善了居民用水體驗(yàn)，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 恒壓供水系統(tǒng)方案

為了滿足不同情況下的恒壓供水需求，就需要根據(jù)系統(tǒng)供水的區(qū)域和系統(tǒng)內(nèi)的水壓情況，快速做出分析并確定供水壓力調(diào)節(jié)方案，因此本文所涉及的恒壓供水系統(tǒng)以可編程控制器為基礎(chǔ)，能夠快速確定供水方案并控制變頻器輸出頻率，對(duì)供水水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)供水的閉環(huán)控制[1]，在保證供水穩(wěn)定性的情況下提升供水效率和經(jīng)濟(jì)性。

該恒壓供水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括了控制模塊、檢測模塊、執(zhí)行模塊及顯示模塊，各模塊之間采用模塊化的接口設(shè)計(jì)[2]，能夠快速進(jìn)行模塊更換和拓展，滿足不同情況下的使用靈活性需求，提升了該供水系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性[3]。

圖1 恒壓供水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，該控制系統(tǒng)的核心為PLC 模塊，主要通過壓力傳感器獲取供水管網(wǎng)內(nèi)的水壓信號(hào)，通過分析獲取系統(tǒng)的調(diào)節(jié)信號(hào)，然后向變頻器發(fā)出調(diào)控指令，控制變頻器改變運(yùn)行頻率，對(duì)水泵機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，使其滿足不同情況下的恒壓供水需求。

在常規(guī)的供水系統(tǒng)內(nèi)，其供水系統(tǒng)主要由3 組水泵構(gòu)成，其中一組處于變頻運(yùn)行模式，二組處于定頻運(yùn)行或者停機(jī)模式，各水泵的具體運(yùn)行狀態(tài)由系統(tǒng)的PLC 決定，通過不同的組合模式來滿足不同情況下的供水穩(wěn)定性要求。

2 恒壓供水原理

該智能變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，是要在滿足供水連續(xù)性的情況下提升供水的穩(wěn)定性，因此所制定的恒壓供水控制邏輯如下頁圖2 所示[4-5]，圖中P實(shí)表示實(shí)際監(jiān)測到的供水壓力，P設(shè)表示系統(tǒng)設(shè)定的供水壓力。

由圖2 可知，系統(tǒng)在初始運(yùn)行時(shí)刻，首先默認(rèn)開啟第一個(gè)供水電機(jī)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的供水壓力進(jìn)行檢查，當(dāng)實(shí)際的壓力小于系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的供水壓力時(shí)，系統(tǒng)的控制程序繼續(xù)對(duì)供水電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整的輸出頻率達(dá)到50 Hz，若此時(shí)管路系統(tǒng)壓力仍未達(dá)到設(shè)定值，則控制1 號(hào)電機(jī)經(jīng)過2 s 的延時(shí)后將其由變頻模式切換到工頻運(yùn)行模式。然后系統(tǒng)在啟動(dòng)2 號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，按相同的階梯調(diào)速和模糊PID調(diào)速模式[6]對(duì)2 號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)達(dá)到最大輸出頻率后若系統(tǒng)仍未達(dá)到設(shè)定的供水壓力，則將其切換到工頻模式，然后啟動(dòng)3 號(hào)電機(jī)。若在1 號(hào)電機(jī)采用變頻控制期間系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)定壓力，則系統(tǒng)維持在該頻率下運(yùn)行，確保供水的穩(wěn)定性。

圖2 恒壓供水邏輯示意圖

3 恒壓控制仿真分析

為了驗(yàn)證該恒壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性，利用STEP7 系統(tǒng)建立該恒壓控制仿真模型[7]，設(shè)定仿真分析時(shí)的增益量為0.1，積分時(shí)間常數(shù)設(shè)置為2 s，系統(tǒng)的仿真采樣周期為200 ms，仿真分析時(shí)的系統(tǒng)設(shè)定壓力為6 MPa，在仿真分析時(shí)按3 步進(jìn)行，第一步設(shè)置1號(hào)機(jī)組在變頻工況下運(yùn)行，2 號(hào)和3 號(hào)機(jī)組不運(yùn)行。第二步設(shè)置1 號(hào)機(jī)組在工頻下運(yùn)行，2 號(hào)機(jī)組在變頻工況下運(yùn)行，3 號(hào)機(jī)組不運(yùn)行。第三步設(shè)置1 號(hào)機(jī)組和2 號(hào)機(jī)組在工頻下運(yùn)行，3 號(hào)機(jī)組在變頻工況下運(yùn)行。當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)定壓力后，每隔5 s 給系統(tǒng)一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，模擬不同樓層、不同數(shù)量的供水點(diǎn)情況，該仿真分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 仿真分析示意圖

由仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)管路系統(tǒng)保持在6 MPa后，系統(tǒng)能夠保持壓力的穩(wěn)定，當(dāng)出現(xiàn)用水增大或者減少而導(dǎo)致管路內(nèi)壓力波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠在1 s 內(nèi)完成壓力的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，使在正常供水狀態(tài)下的壓力波動(dòng)在±0.05 MPa 范圍內(nèi)，顯著提升了供水系統(tǒng)的供水穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

1）恒壓供水系統(tǒng)，以可編程控制器為基礎(chǔ)，能夠快速確定供水方案并控制變頻器輸出頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)供水的閉環(huán)控制，提高不同工況下供水的穩(wěn)定性和可靠性。

2）該恒壓供水系統(tǒng)采用了模塊化布局結(jié)構(gòu)，各模塊之間采用模塊化的接口設(shè)計(jì)，能夠快速進(jìn)行模塊更換和拓展，具有很高的應(yīng)用靈活性；

3）系統(tǒng)能夠在1 s 內(nèi)完成壓力的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，使在正常供水狀態(tài)下的壓力波動(dòng)在±0.05 MPa 范圍內(nèi)，極大地提升了系統(tǒng)的供水穩(wěn)定性和可靠性。