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摘要：传统的供水设备存在能耗大、可靠性低、供水压力不稳等问题，已经不能满足用户的压力需求。因此，变频恒压供水系统以其安全、稳定、节能等特点正逐步地取代传统的供水方式。稳定性与可靠性较强的恒压供水系统有利于提高用水质量，充分发挥高压变频器的作用，一定程度上提升了供水效率。本文从基于PLC构建恒压供水系统、节能供水系统的改造等方面阐述高压变频器在恒压供水中的应用，以期有效控制高压变频器输出频率，为降低供水系统压力、减少资源浪费提供有力支持。
关键词：高压变频器；恒压环境；供水系统
前言：恒压供水系统的主要功能是在用水量不断变化的条件下维持管道内部压力基本恒定，高压变频器通常用于调节频率与控制电压。本文以纯水站恒压供水系统为主要的研究对象，对工频控制改为变频控制进行分析和研究，为了确保供水系统有序且稳定运行，工作人员必须明确高压变频器的重要性，通过充分发挥其应用价值实现恒压供水的目的。
一、基于PLC构建恒压供水系统
（一）明确PLC流程
为了确保基于PLC构建的恒压供水系统功能充分发挥，在开发设计时需要考虑到自动转换与手动转换的重要性，前者的作用是维护供水系统日常稳定运行，后者的作用是对处于工频运行情况下的电机进行控制，将二者有机结合可以有效提高恒压供水系统调试与检修工作质量。对于高压变频器调节输出频率功能的发挥，需要工作人员在恒压供水系统管网内安装压力传感器，通过实时监测压力值动态变化并向PLC反馈，为PID运算与压力值设定提供支持。
（二）设定PID参数
基于PLC构建的恒压供水系统在PID参数设定方面，设计人员选择了使用比例与积分控制。以此为高压变频器应用的前提条件，恒压供水系统的回路增益、时间常数等数据便可以利用工程计算法初步确定，对调整与优化系统工作效果具有积极影响；一般条件下，经过初步确定的回路增益为0.25，采样时间常数为0.2（单位：秒），积分时间常数为30（单位：分钟）[1]。本案例中各纯水站泵分系统总出水管道上分别安装压力变送器，经PLC系统设计PID调节运算构成闭环全自动恒压控制系统，通过控制变频水泵的转速调节供水量来维持管道恒压，压力传感器测量得到的实际压力与压力设定值比较，经过PID运算输出一4~20mA电流信号，用以控制变频器输出频率调整供水量以维持供水管网压力恒定。
（三）设计和组态软件
在选择恒压供水系统的组态软件时，设计人员必须充分考虑实际供水需求，采用符合高压变频器功能切实发挥要求的软件，为实现供水过程自动化控制与管理奠定基础。以本案例中纯水站泵系统为例，设计人员在基于PLC构建恒压供水系统时，对影响PLC控制点数的因素进行了综合考量，通过分析不同控制状态（工频、变频）下的设备数量，实现全面掌握控制总点数变化趋势的目的。改造后系包括：1、变频调速恒压供水系统中，主要由PLC主机、模拟量输入输出扩展模块变频器、压力变送器、液位传感器和现场的各级水泵机组一起组成一个完整的闭环控制系统。2、变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成，控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口（人机界面设置给定）和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对水泵等进行控制。现场触摸屏人机界面，图形化监控各分系统内设备，并动画显示各回水管/出水管综合示意图各单台纯水站泵的运行状态、累计运行时间、每单台变频器的运行频率及各进出水总管道点的压力变化情况。
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二、高压变频器在恒压供水中的节能改造
（一）构建节能系统
随着电力相关技术飞速发展，高压变频器的应用也越来越受重视，利用该设备对传统恒压供水系统进行改造，有利于降低能耗，是实现节约水资源与增强系统运行稳定性、可靠性的有力支持。以本案例高压水泵变频节能改造工程为例，改造后的变频恒压供水系统的PLC与变频器控制泵组调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网压力变化时保证末端用户的用水需求并达到节能的目的，当工频控制与变频控制的互感器倍率为60时，测得工频运行方式下的总电表初读数是21692.8KW.H、总电表末读数为21735.2KW.H、产水水表初读数为629305m³、产水水表末读数是630537m³、累计用电量2544KW.H、累计产水量1232m³、平均产每立方水耗电2.06KW.H；变频运行状态下的总电表初读数为21670.8KW.H、总电表末读数为21692.8KW.H、产水水表初读数是628268m³、产水水表末读数为629305m³、累计用电量1320KW.H、累计产水量1037m³、平均产每立方水耗电1.27KW.H，通过对比可以得出应用了高压变频器改造的恒压供水系统平均产每立方水节电0.79KW.H，节电率约为38.36%。
（二）实现节能的原理
应用高压变频器对恒压供水系统进行改造，仍可使用原有水泵出口阀门，采用闭环全自动调节设备对高压变频器的输出频率进行控制，通过降低变频水泵的转速实现调整供水量变化、维持给排水管道恒压等目标。若是能够充分发挥高压变频器应用优势，便可有效降低无功损耗，对节约资源能源具有重要意义。
在恒压供水系统的节能改造中，常规水泵机组无法完全适应高压变频器功能发挥要求，因此设计人员需要根据恒压供水环境变化科学确定机组构成，根据水源水位、用户用水量等条件调节流量，确保供水系统在绝大部分时间里处于稳定运行状态。现阶段，为了真正实现节能改造目标，设计人员对液力耦合器调速技术、可控硅串级调速技术、变频调速技术、电磁滑差离合器调速技术的具体应用提高了重视。经过实验证明，在上述调速技术中变频调速技术的实用性最强，节能效果最好，故而设计人员在应用高压变频器改造恒压供水系统时，需要充分发挥变频调速技术的应用价值，为实现节能降耗提供强有力支持。
正常情况下，离心水泵的比例律表现为：“转速与流量成正比”、“转速的平方与扬程成正比”、“转速的立方与轴功率成正比”，据此分析可知当离心水泵的转速发生变化时，其转速（n）与流量（Q）、扬程（H）以及轴功率（P）之间的关系表现为“Q∝n”、“H∝n2”、“P∝n3”[2]。由于恒速水泵的转速不支持调节，且组成供水系统的管网水压会随着水量增加而增大，因此为了改善恒压水泵不可调节的问题，设计人员应明确高压变频器的必要性，通过利用高压变频器改变电动机转速实现调节水泵出水量的目的，当水泵出水量与用户用水量相等时，恒压供水系统的管网水压会始终保持相对恒定状态。
结束语：综上所述，基于PLC构建恒压供水系统有利于全面发挥高压变频器优势，对保证供水系统运行压力稳定具有重要意义。将高压变频器应用于恒压供水系统的节能改造中，可以有效调节水泵转速，极大程度上节约了水资源，符合资源节约与环境保护的可持续发展理念要求，是实现恒压供水系统集中管控的关键。
参考文献：
[1]秦冲.基于PLC的高层恒压供水自动控制系统设计[J].襄阳职业技术学院学报,2018,17(03):68-72.
[2]彭学超,潘彬.高压变频器在水泵改造中的应用[J].上海节能,2016(11):625-628.
论文作者:叶大元
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/25
标签：供水系统论文; 变频器论文; 高压论文; 水泵论文; 读数论文; 转速论文; 压力论文; 《当代电力文化》2019年第10期论文;