恒压无塔供水系统

1 前言
变频调速技术(variable velocity valiable frequency technology)是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。

变频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。

在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。

可以说变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用前景的高新技术。

依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。

交流电机变频调速技术是一项业已广泛应用的节能技术。

由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。

在小区供水系统中加压泵通常是用管网末端的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。

由于小区高楼用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。

变频调速技术在水泵站上的应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。

本控制系统把PLC、带PID的变频器、相应的压力传感器和执行机构有机地结合起来，发挥各自优势，使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了小区在管理、数据统计和分析等方面的工作量。

实践证明，本系统不仅满足了生活的需要，提高了整个小区的整体管理水平，而且由于小区高楼供水的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。

该恒压供水控制系统具有以下特点：（1）有消防信号外部输入接口。

当有火警或火灾信号到来时，系统能自动切换到火灾状态；(2)便于灵活配置常规泵、消防泵及其他功能泵，便于实现供水泵房全面自动化；(3)工作泵与备用泵不固定，可自动定时轮换，有效地防止备用泵长期不用发生的锈死现象；(4)如果有需要可扩展实现联网控制，便于实现楼宇自动化管理。

变频调速技术用于民用消防给水系统可以依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水
量发生变化时保持水压恒定以满足民用和消防用水要求。

不论是设备的投资、运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。

2 系统设计要求及设计方案
2.1设计内容与要求
恒压供水控制系统的基本控制原理是：采用电动机调速装置与可编程控制器构成控制系统，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，其差值输入变频器PID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。

2.1.1工艺流程图
图2.1工艺流程图
说明：EQ为高低水位控制器，用来控制注水阀YV1自动把水注满储水水池，水位低于高水位则自动注水。

水池的高低水位同时送入PLC作为低水位报警用。

SLL和SLH为高低水位传感器。

生活用水和消防用水共用两台泵，平时电磁阀处于失电状态，关闭消防管网，两台水泵使生活供水在恒压状态。

当火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水水网，二台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也处于恒压状态。

2.1.2控制要求
（1）生活供水时系统低恒压值运行，消防供水时系统高恒压值运行。

（2）二台泵根据恒压的要求，采取“先开先停”的原则接入和运行即：起动时，M1（或M2，可选择）先变频起动，用水量一定时，变频器频率稳定在某一值。

用水量增加时，M1输出频率增加，当达到50HZ后，延时5S，M1切换为工频运行，M2变频起动运行。

用水量又减小时，经延时5S，M1停，M2仍为变频运行。

用水量继续减小，M2将运行于最低转速。

如此时用水量增加，则系统转为M2工频，M1变频，如此周而复始（每一个状态之间的转换均有5S的延时）。

（3）二台泵采用变频器控制其起动和水压的恒压控制。

（4）具有完善的显示和报警如：变频器故障指示、变频运行指示、工频运行指示。

（5）在应急或临时检修时，对泵的操作有工频手动控制功能。

2.1.3设计要求
（1）变频器选择（2）PLC选择（3）控制方案（4）变频器设置（5）元器件选择（6）PLC I/O分配图（7）电气控制图
2.2 总体方案
2.2.1 变频恒压供水系统主要特点
（1）节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。

（2）占地面积小，投入少，效率高。

（3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。

（4）运行合理，由于是变频启动，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且使水泵的寿命大大提高。

（5）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。

（6）通过自动控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。

该系统控制方便、安全可靠，系统无需改线，便可实现选择的水泵切入退出，保养检修十分方便，变频器的功能十分完善，设有电流、电压等各种保护及报警措施，一旦变频出现故障，系统可以切换到工频运行，避免断水，安全可靠。

2.2.2 传统定压方式的弊病
（1）管理不便、因与大气连通易引起的管道腐蚀。

（2）由于水箱内微生物、藻类孳生，还可能对系统造成二次污染，所以每年定压水箱都需定期维护，并由卫生防疫部门检验。

（3）定压水箱需占用较大空间，需要专门的地点来放置。

（4）高位定压水箱系统的控制靠投入泵的台数来调节，但这种调节方式不能做到供水量和用水量的最佳匹配，水泵长期偏离高效区工作，效率低下。

（5）系统频繁的起停泵，对水泵、电机及开关器件都会缩短使用寿命。

（6）使用高位水箱供水，在系统流量较大时，管网压力会有较大的变化，造成部分用户水压不够，出现诸如流量不足、冷热不均等情况。

（7）在供水泵的选型上，设计人员为了提高系统安全系数，电机选型都较大；在用水负荷较小或低区采用减压阀、节流孔板等来调节剩余水头时，大量的能量消耗在阀上，都造成电能的浪费。

2.3 恒压供水技术实现
通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过变频器内置的PID控制器，来改变电动水泵转速。

当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上；反之亦然。

目前交流恒压无塔供水技术是一项业已广泛应用的节能技术。

由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。

2.4 系统的构成及工作特性
2.4.1 变频恒压供水系统组成
变频恒压供水系统采用一电位器设定压力，采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制电动机转速。

如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过PLC作工频/变频切换、供水泵数量增加／减小，使实际管网压力与设定压力相一致。

另外，随着用水量的减少，供水泵投入运行数量减小，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。

两台水泵根据用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，使供水在恒压状态下进行。

工作流程如图2.2所示，利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，转变为电信号，并及时将电信号（4-20mA或
0-10V）反馈给PID调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。

图2.2工作流程图
2.4.2 系统工作特性
采用PLC工业自动化技术控制装置。

通常不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境进行调试进行恒压用水控制。

使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。

变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。

新型的高楼变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。

另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，使小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。

为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，使得变频器达不到最佳运行状态。

所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。

对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。

2.4.3 主要研究设计
变频调速恒水位供水系统的理论原理以及总体方按的设计,主要是变频器的构成、控制方式和形式，控制方式有三种形式：V/F控制、转差频率控制、矢量控制；变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。

变频调速恒供水系统方案；控制系统的工作过程
系统的工作过程分为以下三个工作状态：1#电机变频启动；1#电机工频运行，2#电机变频运行；2#电机单独变频运行；变频工频切换技术解决方案。

（1）系统硬件设计（主电路、控制电路）；P LC 接线图设计，包括输出输入上元件的分配及编号，PLC 模拟量输入，两块数字扩展模块，一块扩展模块所构成。

（2）应用软件设计（PLC程序设计）主要介绍了编程软件的特点、语言和梯形图其本绘制规则；控制系统程序设计主要包括七大程序，分别是初始化程序、停机程序、阀门开关程序、水泵电机启动程序、电机变频/工频切换程序；整个系统程序的工作过程以及编程中应注意的细节。

3 系统设计可行性分析实现
3.1 总体设计分析
目前，住宅小区高楼变频恒压供水系统设计方案主要采用“一台变频器控制一台水泵”(即“一拖一”)的单泵控制系统和“一台变频器控制多台水泵”(即“一拖N”)的多泵控制系统。

随着经济的发展，现在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的发展趋势。

“一拖N”方案虽然节能效果略差，但独有投资节省，运行效率高的优势;具有变频供水系统启动平稳，对电网冲击小，降低水泵平均转速，消除“水锤效应”，延长水泵阀门、管道寿命，节约能源等优点，因此目前仍被普遍采用。

“一拖N”多泵系统的一般控制要求。

如图3.1
（1）多泵循环运行程序控制以“一拖二”为例:先由变频器启动1#水泵运行，若工作频率已达到变频器的上限值50Hz而压力仍低于规定值时，将1#水泵切换成工频运行，此时变频器的输出频率迅速下降为0，然后启动2#水泵，供水系统处于“1工1变”的运行状态；反之，若变频器工作频率已下降至下限值(一般设定为25~35Hz)而压力仍高于规定值时，令1#水泵停机，供水系统又回复到1台水泵变频运行状态。

如此循环不已。

其他的“一拖N”程序控制，依此类推。

循环顺序为：
图3.1
其中1#B为1号泵变频运行；2#B为2号泵变频运行；1#G为1号泵工频运行；2#G为2号泵工频运行。

当系统开始工作时，水压传感器把实测水压值变成控制标准电流(4mA～
20mA)输入模拟块，经A/D模数转换后，进入PLC与设定的压力值比较。

对比较得出的电压差进行PID(比例、积分、微分)运算，并以此结果控制变频器的输
出频率，以调整变频泵机的转速，使1#B变频运行，确保在不同供水流量变化下，水厂出水口的压力保持恒定。

当流量继续增加，变频器输出频率继续增大，输出频率增加至工频50Hz时，延时确认，PLC发出指令，1#B转为工频运行而变为1#G，同时2#泵接入变频器启动运行。

此时运行状态为1#G+2#B，系统处于现阶段供水高峰期运行状态。

如果系统用水量下降，水压则升高，通过自动调节，变频器输出频率减少，水压即可回落。

当变频器输出频率减少到启动频率时，延时确认后，PLC发出指令，切断1#G泵，系统只由2#B运行。

此后流量再增加，则于前所述，系统运行状态为2#G+1#B。

如此反复循环，使两台泵自动交替切换，先开先停，互为备用，既有助于延长泵机使用寿命，又保持供水系统压力恒定，满足用户要求。

（2）设置换机间隙时间当水泵电机由变频切换至工频电网运行时，必须延时几秒进行定速运行后接触器才能自动合闸，以防止操作过电压;而当水泵电机由工频切换至变频器供电运行时，也必须延时几秒后接触器再闭合，以防止电动机高速运转产生的感应电动势损坏变频器。

延时时间根据水泵电机的功率而定:功率越大，时间越长，一般取值5s。

（3）确保触点相互联锁在电路设计和PLC(可编程控制器)程序设计中，控制每台水泵“工频-变频”切换的两台接触器的辅助触点或者PLC内部“软触点”必须相互联锁，以保证可靠切换，防止变频器UVW输出端与工频电源发生短路而损坏。

为杜绝切换时接触器主触点意外熔焊、辅助触点误动作而损坏变频器的事故，最好采用两台连体、机械和电气双重联锁的接触器，如三菱公司的FX2N 型联锁接触器等。

（4）水泵轮换启动控制可以自由设置水泵启动顺序:可设置成1#水泵先启动，也可设置2#水泵先启动。

所有水泵平均使用，能有效防止个别水泵可能长期不用时发生的锈死现象。

遵循“先启先停”原则。

（5）设置定时换机时间在水泵群中，定时5S切换运行时间最长的水泵，以保证所有水泵的均衡使用。

（6）变频器或PLC带有PID调节器 PID(比例-积分-微分)调节器的积分
环节 I (即积分时间)调整应合理:时间太短，则系统动态响应快，反应灵敏，但易产生振荡，水泵来回切换;时间太长，则当压力发生急剧变化时，系统反应过慢，容易产生压力过高，导致管道爆裂。

3.2 系统设计方案及实施
智能小区恒压供水网由恒压居民供水系统和消防用水系统组成。

恒压供水缓冲罐连接在总水管网上，它下面带有2个供水泵，实现一拖二供水工作，通过供水压力的变化完成小区供水。

生活用水和消防用水共用两台泵，平时电磁阀处于失电状态，关闭消防管网，两台水泵使生活供水在恒压状态。

当火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水水网，二台泵供消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也处于恒压状态，实现小区消防安全功能。

恒压变量供水设备由变频器、传感器、低压电气控制柜和水泵等组成。

通过变频器和继电器、接触器控制水泵机组运行状态,实现管网的恒压变流量供水要求。

设备运行时,压力传感器不断将管网水压信号变换成电信号送入微机PID,经过变频器PID(比例-积分-微分)调节器运算处理后，获得最佳控制参数，通过变频器和继电控制元件自动调整水泵机组高效率地运行。

供水系统的监控主要包括水泵的自动启停控制、水位流量、压力的测量与调节；使用水量、排水量的测量；设备运转的监视、控制；水质检测；节水程序控制；故障及异常状况的记录等。

现场监控站内的控制器按预先编制的软件程序来满足自动控制的要求。

结构如图一：
4 硬件单元电路设计
4.1 主电路元器件
4.1.1主电路元器件的作用
1、断路器的主要功能有：
隔离作用。

当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将切断，使变频器与电源隔离。

保护作用。

当变频器的输入侧发生短路等故障时，进行保护。

接触器
2、接触器的主要功能有：
可通过按扭开关方便地控制变频器的通电与断电。

变频器发生故障时，可自动切断电源。

由于变频器有比较完善的过电流和过载保护功能，且空气开关也具有过电流保护功能，故进线侧可不必接熔断器。

又因为变频器内部具有电子热保护功能，故在只接一台电动机的情况下，可不必接热继电器。

4.1.2主要电器的选择
（1）空气断路器
现代的空气断路器都具有过电流保护功能，选用时应充分考虑电路中是否有正常过电流，以防止过电流保护功能的误作用。

变频器单独控制的主电路中
属于正常过电流的情况有：
变频器在刚接通电源的瞬间，对电容器的充电电流可高达额定电流的2~3倍。

变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常超过额定电流。

变频器允许的过载能力为150%，1min.所以，为了避免误动作，空气断路器的额定电流Iqn应选 Iqn>=(1.3~1.4)In
式中In——变频器的额定电流，A。

在切换控制的主电路中
因为电动机有可能在工频下运行，故应按电动机在工频下的启动电流来进行选择，即： Iqn>=2.5Imn
式中 Imn——电动机的额定电流。

（2）工频接触器(KM3)
工频接触器的选择应考虑到电动机在工频下的启动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一挡（接触器的额定电流挡）来选择。

保护电器
（3）熔断器(FU)
可仿照空气断路器的选择方法来选。

（4）热继电器(FR)
热继电器发热元件的额定电流可按下式选择：
Irn>=(1.1~1.15)Imn
4.2 压力传感器及其检测
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。

某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。

UltraStable600压力传感器
在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

图2 压力传感器放大电路
为此，用可编程控制器作为中心控制单元，通过接触器联锁控制，驱动变频调速器等控制元件及装置进行工作，以实现稳定的供水压力。

压力传感器检测结果转换为标准的4~20mA电流信号送到压力控制器和变频调速器。

送至变频调速器的压力与变频调速器内部给定压力相比较，如有差别，则通过变频调速器自动调节水泵的转速，以控制水管供水压力恒定。

4.3 可编程控制器（PLC）选型
FX的基本单元与扩展单元或扩展模块可以构成256点的PLC系统.利用扩展模块,以8点为单位增加输出点数,也可以只增加输入点数或只增加输出点数,因而可以改变输入输出点数的比例。

特殊功能单元和模块主要是指扩展适配器、脉冲输出单元、模拟量输入模块、模拟量输出模块及一些接口模块等。

根据在双恒压无塔供水系统中的压力传感器，所以在此系统中所采用的变频器
PID模块。

它是将水压的电流信号经过PID单元转变成所需的变频器信号，从而实现所要求的控制。

FX2—64MT的一般技术指标
FX2—64MT的输入技术指标
4.4、变频器选型及说明
变频器所使用的是韩国的IG5产品。

一个是LG变频器专用协议另外是MODBUS-RTU工作方式。

（参数I/O组50→ 0：专用，7：MODBUS）
※版本5。

0C以下→只是LG专用方式
1 特征
在工厂自动化中，可很容易应用于用户程序中。

可以用计算机监视与变更参数
2RS485标准界面
- 可以与所有电脑通讯
- 应用多站联接系统（multi-drop link system），可以联接32台变频器- 内部噪声屏蔽
用户可以用所有类型的RS232-485转换器，但要求转换器具有内置‘自动RTS 控制’功能。

4.5 主电路设计（图3—1）
图3-1 主电路的接线图
在硬件系统设计中，采用一台变频器连接2台电动机，其中1#、2#水泵电机具有变频/工频两种工作状态，每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联；变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护接通，空气开关的容量依据大机的额定电流来确定。

对于有变频/工频两种状态的1#和2#电动机，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护接通，空气开关的容量也依据大机额定电流来确定，所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。

变频器主电路电源输入端子（R、S、T）经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的任意两相。

特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频／工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。

在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子来操作，不得以主电路的通断来进行。