摘要：随着变频调速技术的发展变频恒压供水系统已逐渐取代传统的供水系统广泛应用于高层建筑工业消防住宅小区的生活供水系统。基于变频器内置PID闭环调节功能与PLC逻辑控制功能的恒压供水系统具有节能、自动化程度高、便于通信监控、工作稳定可靠、供水质量高的性能特点，在自来水厂、企业生产用水、农田灌溉等恒压供水系统得到了广泛的应用，具有较高的实用价值。分析、讨论其设计方法和步骤具有一定的实践意义。
关键词：变频器PID控制；水厂恒压供水；应用
1、前言
近年来，变频器的应用范围越来越广阔，在恒压供水系统中应用具有PID功能的变频器，和传统的气压罐供水系统、高位水箱供水系统以及恒速泵供水系统相比，其能耗较少，具有较强的灵活性，并且供水质量更高。在实际应用中，基于PID功能的变频器对于供水系统的阀门、泵组进行逻辑控制，实时监控供水系统的各个控制点和运行参数，为了恒压供水系统的规范化管理提供了重要技术支持。
2、恒压供水系统结构和原理
据有关部门统计，目前我国大部分的水泵控制，采用传统的电力拖动方式，水泵在工频下恒速运转，水泵的能源消耗约占企业能源消耗的80%～90%。这样，一方面造成了较大的能源浪费，另一方面容易造成“水锤效应”，使运行中的水泵平均负载率低，致使水泵本身功效下降。而结合数字PID控制技术的恒压供水系统，可改善水泵起动性及运行特性，提高电力系统的系统效率。
一般规定城市管网的水压，只保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前，大多采用传统的水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，但都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果往往是增大了水泵的轴功率和能量损耗。用恒压供水系统控制实现了水泵电机无级调速，在用水量发生变化时，保持水压恒定，以满足用水要求，是先进、合理的节能型供水系统。
2.1结构组成
恒压供水系统是指管网中水压不会随着水量的大小而发生变化，其时刻保持基本恒定，不仅可以满足建筑物中不同楼层的用水需求，而且避免了电机处于空转状态浪费大量的电能。在实际应用中，恒压供水系统主要有以下两种控制形式：其一，电机调速控制供水系统；其二，PLC（可编程控制器）控制供水系统，控制泵组的运行速度，自动调节运行的泵组台数，实现闭环控制管网供水压力，即使供水管网在不同时间段中水流量出现大幅度变化，也能保持其水压的稳定性，有效节约电能。恒业供水系统主要由水泵、压力传感器、继电器、FR-A540变频器、触摸屏、PLC等组成，变频器PID具有比较、差分的功能，利用具有PID功能的变频器可以实现恒压控制。
2.2原理
变频器主要是根据供水管网的既定压力和水流压力来调节和控制其运行频率，当既定压力大于水网压力时，变频器的运行频率不断提高；当既定压力小于水网压力时，变频器运行频率下降。当供水管网中的水流量不断增大时，会降低变频器泵组的运行压力，为了保障恒压供水系统的安全、稳定运行，这时需多增加几组水泵，对于水泵的变频/工频和泵数通过PLC实现切换控制，从而确保供水系统保持恒定的供水压力，节约大量的水资源和电能。
2.3实现方法
恒压供水系统在实际应用中，主要通过以下几种方式实现恒压供水：其一，利用变频器的PID功能，实现供水系统管网的恒压供水；其二，通过运用变频器实现PID恒压调节、多个水泵的变频/工频切换，保障恒压供水系统的稳定运行；其三，通过PLC来控制恒压供水系统，这个系统在应用中需要增加D/A和A/D转换器；其四，在恒压供水系统外部设置PID调节器，结合给定量和反馈量的PID运算结果，变频器调节控制运行频率，这种系统在实际应用中需要单独设置PID调节器，在一定程度上增加了运行成本。
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3、基于PID功能的变频器在恒压供水系统中的应用
3.1参数设置
恒压供水系统主要应用FR-A540变频器，其运行稳定、性价比比较高，被广泛的应用在多个领域，FR-A540变频器内部包含IPM智能功率模块，结合PWM调制原理，电动机的运行噪音比较小，具有较强的抗干扰性能，输出波形比较完整。FR-A540变频器具有停电减速运行、工频/变频的顺序切换和顺序制动以及PID控制功能，可以满足消防、工业和高层建筑的供水需求。在实际应用中，工作人员应先将变频器之前的运行参数清除以后再重新设置参数，完成参数设置后，先停止对变频器供电，使其归位后再重新送电，确保重新设置的运行参数生效，在设定变频器运行参数时应注意：其一，最高频率，变频器的实际运行频率必须低于其额定频率，额定频率就是变频器设定的最高频率，如果变频器转动速度大于标准的额定转速，其内部矩阵函数会成指数增加，会严重损害变频器设备的稳定性；其二，上限频率，一般情况下，变频器设定的上限频率应略低于额定频率；其三，下限频率，在设定变频器下限频率时不能过低，下限频率过低会造成水泵机组的运行扬程远远低于实际扬程，很容易使水泵处于空转状态，造成电能浪费。
3.2PID变频器运行控制
（1）设定值
结合恒压供水系统运行要求，结合变频器调节压力，确定最佳的设定值。
（2）百分数转换
结合传感器的设定值和输出值，计算其对应关系，当传感器电流值为20mA，输出压力为0.5MPa，电流值为4mA，输出压力为0MPa，通过计算0.1MPa的输出压力对应7.2mA电流值。
（3）微分和积分
恒压供水系统在应用PID功能变频器时，设定较大的比例范围和积分时间，设定小一点的微分时间。恒压供水系统运行过程中，若目标值不稳定，可以适当减小微分时间，增大积分比例范围和积分时间，确保目标值保持稳定。当目标值趋于平稳时，减小积分比例范围和积分时间，增加微分时间。
3.3系统工作流程
利用FR-A540变频器的PID控制功能，通过比较压力传感器信号和水压设定值，按照预设的调节规律，由变频器PID控制器来调节两者的偏差值，输出调节信号，改变变频器的运行频率和输出电压，使供水管网的水压保持恒定。恒压供水系统通过运用PID功能的变频器，按照先启动先停止、后启动后停止的流程，使各个水泵机组能够软启动，轮流休息。1号泵组先启动，当转速逐渐达到变频器上限频率时，若水压低于设定值，变频器运行泵自动切换为工频运行状态，这时2号泵启动，满足用水需求，当供水压力较高，用水量降低，这时变频器自动切换工频，保障恒压供水系统的稳定运行。同时，为了避免恒压供水系统中的一台水泵长时间处于运行状态，另一台闲置生锈，在系统中设置定时轮换功能，提高水泵的利用率。
4、结语
总之，采用变频器内部算法控制，结合先进网络技术，具有控制压力稳定，无冲击等特点。在实际运行中，操作员根据管网用水量的需求情况可在远程人机界面中输入压力给定值，系统智能平缓实现压力控制，最终达到平衡。系统在运行中采用变频器对电机实现软启动，减少设备损耗，变频控制使得水厂能耗得到最大的优化而压力平缓控制减少了管网的冲击，大大降低爆管风险系数如果结合管网模型，用城市管网多点压力数据作为信号反馈，实现对城市多水厂的协同恒压控制，将开辟城市供水技术的心时代，使得供水企业服务水压和供水能耗达到一个更加优化的平衡。
参考文献
[1]宁耀斌，李生民，孙旭霞.基于增益调整型模糊PID控制的变频恒压供水系统[J].西安理工大学学报，2010，26（2）：207-211.
[2]吕惠芳.基于PLC恒压供水系统中PID控制器的实现[J].重庆文理学院学报（自然科学版），2009，（2）：53-55.
论文作者:刘建全
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/9
标签：供水系统论文; 变频器论文; 水泵论文; 压力论文; 频率论文; 管网论文; 水压论文; 《电力设备》2017年第18期论文;