| 1概述 恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成 控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。 随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。 2控制方案 在住宅小区水厂的管网系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系： ΔP=KQ2； 式中K一为系数 设PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。 P=PL+ΔP=PL+KQ2 因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。 典型的自动恒压供水系统的结构框图如图所示；系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能，系统通过安装在出水总管上的压力传感器、流量传感器，实时将压力、流量非电量信号转换为电信号，输入至可编程控制器(PLC)的输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出最佳的运行工况参数，由系统的输出模块输出逻辑控制指令和变频器的频率设定值，控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户用水量的变化，自动确定泵组的水泵的循环运行，以提高系统的稳定性及供水的质量。
3运行特征 以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时(Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量)，可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。当用水量Q在1／3Qmax 当外供水量减少至1/3Qmax 4系统经济效益分析及系统优点 4．1经济效益分析 变量泵的功率N1、供水量Q1与泵转速n1三者的关系如下式： N1／Q1=(n1／n)3 Q1／Q= n1／n 式中Q一额定流量，Q1 N一额定流量Q时的轴功率 n一水泵的额定转速 因额定流量Q=100％时，n=100％，N=100％，若n1=90％n时Q1=90％Q，N1=72.9％N，即可节电27.1％。若n1=80％n时Q1=80％Q，N1=51.2％N，即可节电48.8％。 4．2系统优点 (1)恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。 (2)由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量时，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。 (3)因实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。 (4)水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。 (5)由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快，而长期受益，其产生的社会效益也是非常巨大。
几种变频供水设备的应用与控制 一、前言
随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频供水设备已广泛应用于多层住宅小区生活及高层建筑生活消防供水系统。变频调速供水设备一般具有设备投资少，系统运行稳定可靠，占地面积小，节电节水，自动化程度高，操作控制方便等特点。但在实际应用中若选型及控制不当，不但达不到节能目的，反而"费电"。以下结合我们多年来的实践经验，对几种变频供水设备的应用及其控制方法进行介绍，供同行及用户在设计、改造、选型时参考。
二、普通循环软启动变频供水设备
该类型设备在实际应用中较多，系统由水泵机组、循环软启动变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频调速器，PLC，多功能PCS-PID调节仪，低压电器等构成。系统一般选择同型号水泵2～3台，以3台泵为例，系统的工作情况如下：
平时1台泵变频供水，当1台泵供水不足时，先开的泵倒为工频运行，变频柜再软启动第2 台泵，若流量还不够，第2台泵倒为工频运行，变频柜再软启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压供水。
另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过24 h变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设定，可按要求随时调整。这样可均衡各泵的运行时间，延长整体泵组的寿命。
为达到更好的节能目的，多功能PCS-PID调节仪设有双恒压接口，系统可实现双恒压供水功能。
该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区(如300户以内)或其它小规模用水系统，水泵功率一般不超过7.5 kW。另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合，如循环水系统。
三、带小流量泵的循环软启动变频供水设备
当变频供水系统在小流量或零流量的情况下，比如在夜间用水低谷时，系统内的用水量很小，此时水泵在低流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。例如对300～1000户的多层住宅小区或600户左右的小高层住宅楼群(12层以内)的生活用水系统，生活主泵功率一般在15 kW左右，系统的零流量频率f0一般为25 ～35 Hz，故在夜间小流量时，采用主泵变频供水效率较低。
这就涉及供水系统在小流量或零流量时的节电问题，一般可以采取4种方案：①变频主泵 +工频辅泵；②变频主泵+工频辅泵+气压罐；③变频主泵+气压罐；④变频主泵+变频辅泵。从节能、投资角度看第4种方案更为适宜，该方案即在原变频主泵基础上，再配备1～2台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水，一般选择小泵流量为3～6 m3/h，居民区户数越多，流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5～3 kW，小泵的扬程按主泵扬程或略低于主泵扬程即可。
变频柜采用PLC控制，程序采用模块化设计，系统控制流程见图1。平时系统运行于主泵循环软启动变频供水模式，系统用水量减小时，主泵频率逐渐降低，当频率低于小流量频率时，PCS-PID调节器发出低频切换信号，延时2 min，系统自动进入小泵变频供水模式。当用水量增大，小泵流量不能满足系统需要时，PCS-PID调节器发出满频信号，延时5 min，系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。为达到更好的节能效果，系统也可实现双恒压供水功能。
以郑州某单位住宅小区变频供水系统为例，生活主泵配QDG30?203立式多级泵2台，单台Q=30 m3/h，H=60 m，N=11 kW，小泵配QDL4.8-86立式多级泵1台，Q=4.8 m3/h，H=48 m，N=1.5 kW。在用水非高峰时，主泵运行小流量频率平均为30 Hz，电流为6.5 A，采用小泵时小流量频率平均为35 Hz，电流为2.5 A，按每天小流量运行时间15 h计算，每年可节电3800 kWh。 图1 变频柜PLC控制流程
四、全流量高效变频供水设备
对比较大的生活小区和高层建筑的生活用水，若单配主泵机组和小流量泵，因小泵流量 QL和主泵流量QM差别较大，当流量调节范围在QL～1/3Qm时，水泵的运行效率仍很低，导致水泵运行不经济，浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行，这就有必要再增加一种中流量水泵，流量可选为1/3 Qm～1/2 QM。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状，从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段，更加节能。
变频柜控制核心由PLC和多功能PCS-PID调节仪构成，以三种泵配置为例，系统的控制流程见图2。系统也可实现双恒压供水功能，中泵和小泵变频时低恒压供水，主泵变频时高恒压供水。 图2 三种泵变频控制流程
五、深水井变频供水设备
目前深水井潜水泵采用变频调速控制的也非常广泛，主要是因为不需再建水塔，设备占地小，建设周期短，水质无二次污染，水泵软启动软停车，故障率低，大修周期延长，寿命提高。但对夜间也要求供水的系统(一般居民生活用水都有要求)，仍存在夜间小流量"费电" 问题。一般潜水泵功率较大，小流量频率fL一般在28 Hz以上。如30 kW的潜水泵，小流量频率按30 Hz计算，每天夜间近6 h内约有50 kWh电能"浪费"，一年就是18000 kW h!这还未计入白天小流量时的用电。
为解决小流量耗电问题，可增配1台直径600～1200的囊式气压罐，一般气压罐可直接安装在泵房。根据气压罐的调节容量合理设置小流量频率fL。变频柜控制核心仍为PL C和多功能PCS?PID调节仪，当系统用水量变小，运行频率降至小流量频率fL时，系统进入小流量变频稳压状态，同时PLC自动计算潜水泵启动次数，若小时启动次数D≥12 次，系统则回到潜水泵变频恒压供水状态。系统的程序见图3。 图3 启动次数判断
六、生活消防合用变频供水设备
对多层建筑，《建筑设计防火规范》GBJ16-87第8.1.2条规定"消防给水宜与生产、生活给水管道合用"。但对高层建筑，《高层民用建筑设计防火规范》 GB50045-95第7.4.1条规定"室内消防给水系统应与生活、生产给水系统分开独立设置"。而12层以内小高层建筑(特别是住宅楼群)，生活消防压力差别不大，若管材选用适当或消防管路采取防倒流措施，在采用变频设备及电源可靠条件下，建议高规适当放宽要求应允许生活消防合用供水设备。同时有以下优点：
1、生活消防泵组定时轮换运行，不会因消防泵长期不用或管理不善而使水泵锈死，机组时刻处在工作状态。
2、生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵组，且便于设备管理和维护。
3、设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。
4、水泵软启动软停车，无冲击和超压危害。
系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型，主泵流量按生活、消防两者最大的来选择，并留有1台备用泵，扬程一般按消防设计压力选择。另外还应注意的有以下几点：
1、应设消防接口，如有消防报警系统应设24V DC无源启停接口，如为消防按钮开关控制，宜留交流200 V有源接口。
2、应有消防时确保消防用水的技术措施，如在生活总管上安装电磁阀，消防时关闭生活用水。
3、应设水位接口，消防低水位报警，并关闭生活用水。
4、应有双恒压功能，即平时低恒压生活供水，消防时自动转入高恒压消防供水。
5、消防时应限制退泵操作，以防止压力不稳。
七、消防变频恒压稳压供水设备
多层建筑消火栓或自动喷水灭火系统采用消防主泵变频供水设备时，可不再设稳压小泵，由主泵变频运行来保压。若消防管网室外部分较大，可增加调节容量100 L左右的稳压罐即可。设备的主要功能如下。
1、主泵变频稳压功能
平时无消防时，设备处于变频稳压工作状态，由电接点压力表采集管网水压信号，当管网水压低于稳压下限时，消防泵变频运行，向消防管网补水，当管网水压达到稳压上限时，消防泵软停止。
2、自动换泵功能
消防主泵具有周期轮换稳压运行功能，换泵周期由变频柜程序设定，一般设定为24 h。若设备检测到稳压主泵故障时，立即切换到另一台主泵稳压运行，并报警显示。
3、自动巡检功能
设备具有定期强制自动巡检功能或随时手动巡检功能，以防水泵长期不运转而"锈死"。巡检周期为14 d，单泵巡检运行时间为1 min。若水泵故障，设备可自动报警并记忆。
4、自动消防恒压供水
设备接到消防信号，立即进入消防主恒压供水状态。变频柜具有循环软启动功能，若一台泵故障或流量不够，可自动变频启动另一台泵。消防信号解除，立即恢复至平时消防高稳压供水状态。
5、智能消防功能
因火灾或管网漏水严重，在无消防信号情况下，设备自动进入消防高恒压供水状态并报警，防止真正火灾发生时水泵频繁启停，水压时高时低不稳，影响灭火用水。
该类消防设备安装相对集中，配置简易，系统自动化程度高，减少了平时管理要分散保养、维护、检查的工作量。郑州某市场采用了2套消防变频恒压稳压供水设备，均未设稳压小泵和高位水箱，从一年多的运行情况看，使用效果非常理想。
八、结语
1、生活供水系统采用变频供水设备可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能"浪费"，因此建议设计人员和用户在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、 设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。
2、消防变频供水设备自动化程度高，系统响应迅速，实战性强，同时设备分布相对集中，配置简单，便于管理和维护，建议用户应根据自身工程特点合理选用。
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