关键词：变频供水系统；重力供水系统；变频泵；工频泵
Abstract: at present exceptionally rapid urbanization process, under the environment of all kinds of office buildings and public design flow is very large, and for the choices of building water supply and drainage system is also vary, which adopts the frequency conversion system on water supply, water supply and the pros and cons of gravity water supply discussion also has often been put forward. This article will through some engineering examples to explore the characteristics of frequency conversion water supply system and gravity water supply system.
Keywords: variable frequency water supply system; Gravity water supply system; Variable frequency pump; Pump power frequency
中图分类号：TV674文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
前言
本报告以沈阳嘉里香格里拉项目为参考，对比项目中分别采用重力供水与变频供水两种供水系统的优劣，从而达到分析研究变频泵与恒速泵工作原理的目的。根据嘉里提供的设计手册，该项目最终采用了重力供水系统，但是变频泵与恒速泵仍各具特点，有待通过对比进行深入的研究。
正文
重力供水系统
重力供水系统简介
重力供水系统使用恒速泵供水，通过恒速泵将底层水箱中的水源抽至高层水箱后，依靠高水位中水体自身重力向各配水点供水。由于水位基本不发生变化，因此重力供水的出水水压比较稳定，不会因为外网中水压的变化而出现波动。恒速泵通过设置在高位水箱中的水位控制器调节启停，当水箱中水位低于设计水位时，恒速泵启动，向高位水箱输水。
恒速泵工作原理
恒速泵通过泵本身的电机，将水流以恒定速度引出，相对变速泵而言，恒速泵的工作原理简单，不易出现故障，工作稳定性也更强。
变频供水系统
变频供水系统简介
变频供水系统采用变频泵供水，通过变频泵将底层水箱中的水源直接输送至各配水点，无需设置高位水箱。由于变频泵可根据出水水压的变化改变出水量，故也能达到调节水压恒压出水的效果，且相对重力供水而言，无需设置高位水箱，使整个供水系统的设计更为简洁。
变频泵工作原理
变频泵通过设置在出水端的水压测试装置，感应出水压力的变化，并调节水泵转速来达到稳压的作用。该泵与恒速泵最大的区别在于增加了出水感应装置以及能够改变泵转速的变频器，以下着重介绍变频器的组成与工作原理。
如前所述，泵的速度控制涉及一个变频器。因此，有必要深入了解变频器，了解它是如何运作，并最后讨论使用这种设备的相关注意事项。
变频器的元件：
理论上，所有变频器均由相同的功能块组成，其基本功能就是将电源电压转变为具有另一个频率和振幅的新交流电压。变频器首先把输入电压整流，然后将能量储存于由一个电容器组成的中间电路。接着，直流电压被转化为具有另一个频率和振幅的新交流电压。由于变频器中中间电路的存在，电源电压的频率对输出频率以及电机速度没有直接影响。由于整流器可以处理50Hz和60Hz的频率，因此电源频率可以是其中任意一种。此外，输入频率将不影响输出频率，因为这是由电压/频率模块所决定的，而电压/频率模块又是由换流器决定的。
如下图所示，变频器还由其它三个元件组成：一个EMC滤波器、一个控制电路和一个换流器。
EMC滤波器
EMC滤波器并不是变频器的主要功能部分，因此理论上，它不是变频器的一部分。然而，为了满足一些地方规范的要求，该滤波器是需要的。EMC确保了变频器不会向电源发出无法接受的高噪声信号。与此同时，滤波器确保了由其它设备产生的噪声信号不会进入变频器的电子设备中，引起损坏或干扰。
控制电路
控制电路块有两个功能：它控制着变频器，并与此同时，维护着变频器与周围设备之间的整个通信。
换流器
来自变频器的输出电压并不像标注电源电压一样是正弦式的。供应给电机的电压由许多矩形波脉冲组成。这些脉冲的平均值形成一所期望的频率和振幅的正弦电压。所形成的切换频率可从几个kHz至20kHz，具体取决于波段。为了避免电机绕组内产生噪音，变频器的切换频率最好在可听度的范围以上。
变频供水系统与重力供水系统的比较
根据沈阳嘉里香格里拉项目的各项参考信息，对比采用变频供水与重力供水两种供水两种系统，可得出以下几个方面的异同：
经济性：
变频——采用5组变频泵，共13台；底层设生活水池，5F、19F设转输泵及转输水箱，无需设置屋顶水箱。
重力——采用3组恒速泵，1组变频加压泵，共11台；底层设生活水池，19F设重力供水水箱，顶层设重力供水水箱及加压水泵。
节能性：
在出水水压经常变化的情况下，变频泵比公频泵具有一定的节能作用。但针对两种系统中，供水方式的不同，节能性比较缺乏依据。
安全性：
变频——与公频泵相比，含有变频器等调速设备，且根据用水需求需频繁启动，故障几率较高；出现停水或停电问题时，系统内无水箱存水，将立即处于供水瘫痪状态。
重力——仅由泵进行恒速供水，无变频器等装置，供水出现故障的几率相对较低；在出现停水或停电状况时，各区仍能够依靠重力水箱中的储水进行短暂供水。
稳定性：
变频——采用恒压变频泵，能够保证出水水压的稳定，但根据水量变化，需要一定的调节时间。
重力——重力供水采用储水水箱，依靠重力供水，出水水压稳定，且无需调节过程，在出水稳定性上更具优势。
水质：
变频——由变频泵直接从底层水箱抽水，无中间层及高层储水水箱。但在5F、19F设有转输水箱，对水质仍有一定程度的影响。
重力——由公频泵供水，设置中间层及屋顶重力储水水箱，水质影响较大。
变频泵与恒速泵的比较
变频泵与恒速泵在工作原理上的差别主要是泵的转速是否能够发生相应变化。在同一项目中，使用变频泵或恒速泵，其对比范畴主要为使用寿命、使用周期及使用费用。而费用方面又主要包括：初始费用，安装及试车费用，能耗费用，运行费用，环保费用，保养及维修费用，故障时间费用，退役及处理费用。一个泵系统的寿命周期费用是在系统寿命期内上述提及的所有要素的总合。
上表为一个工业应用需要一台新的供水泵，并考虑两个解决方案：
一台恒速多极离心泵
一台变速多极离心泵
通过计算显示，与恒速泵相比，变速泵节省40%的能耗。然而，变速泵的初始费用是恒速泵的两倍。但是，即便如此，10年后，第一个解决方案的总费用比恒速泵解决方案的低25%。
结论
针对沈阳嘉里香格里拉项目，因对于供水稳定的要求很高，故而最终采用了重力供水系统。但是，针对不同的项目，重力供水系统与变频供水系统仍有其各自的优缺点，不能一概而论，需根据实际情况，进行对比取舍后方能确定。与此同时，透过具体项目，也能看出不同系统中，泵的种类所发挥的作用。在不同的系统中，如何选取泵的类型，也需要进行全面对比后，根据具体条件来确定。
参考文献：
[1] 《泵与泵站》中国建筑工业出版社；第5版（2007年12月1日）
【关键词】水厂；变频供水系统；节能
一、前言
由于地理分布、经济条件和相关技术人才的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市水厂，特别是发达地区大型水厂的自动化程度很高，而小城市和城镇水厂，特别是落后地区小型水厂的自动化程度较低，甚至还是空白。在一些已实现自动化的水厂中，虽然自动化系统和设备与其他行业，如化工、电力等相比并不差，甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。
国内实现水厂自动化控制的方法主要是新建和扩建工程。大型水厂建设项目依靠引进外资和全套技术设备，水厂工艺自动化水平高，但设备和控制系统投资很大。中小水厂自动化的设计、工程服务以国内为主，但系统中关键技术和设备仍以引进国外产品为主，在设备选型及工程服务上采取国内与国外相结合的办法。这种办法不但大大降低了水厂在自控系统中的投资，而且实现了工程售后服务的本地化，有利于该行业的长远发展。
我国水厂自动化控制系统的发展过程可分为三个阶段：第一阶段是分散控制阶段，该阶段水厂各部分分别进行自动控制，各独立系统互不相关；第二阶段是水厂综合自动化阶段，在该阶段整个水厂作为一个综合自动化控制系统进行生产，同时各个独立子系统又可以独立工作，该系统共享整个水厂的信息，同时又有分散控制的可靠性。现阶段大部分水厂处于此阶段；第三阶段是供水系统的综合自动化阶段，该阶段要求在一个区域的供水企业共享信息，实现整个城市或地区供水系统的自动控制。目前我国的中小型水厂大部分处于第一或第二阶段，只有很少大型水厂达到了第三阶段。在国外，如加拿大、美国等发达国家基本实现了供水系统的全自动化，而且开始进行分质供水，把自来水中生活用水和直接饮用水分开，另设管网，直通住户，实现饮用水和生活用水分质、分流，达到直饮的目的，并满足优质优用、低质低用的要求，同时对水厂内部的自控系统也在不断地进行改进和提高。
二、变频节能技术在水厂中应用的重要性
在水处理行业中，普遍存在着用水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，虽可通过调节阀门来满足用水需求，但供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。因此，根据用水需求自动控制水泵机组运行，且实现节能，是水厂自动化技术的一项重要内容，因此变频调速的恒压供水系统孕育而生。
变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用水量变化而浪费的电能全部节省下来。变频调速控制技术，是指以变频调速原理为基础，在保证供水可靠性的前提下，根据供水系统用水量的变化情况，自动调整水泵工况，使之始终尽可能地在高效区间内运行，以达到降低能耗、提高效率的目的。这一技术是比较科学，可靠性较高的一种调节水泵工况的方式。它具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。
变频器是一种以变频调速技术为基础通过改变频率来调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，而且节电效果明显。在水处理行业变频器具有广阔的发展前景，有关其应用研究也一直得到相关工程领域的重视。应用变频器来实现变频节能供水，可以采用恒压变量或变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速（即供水流量）来保证供水压力不变，该系统技术比较成熟，应用广泛。变压变量供水系统则根据用户用水量的变化同时调整变频器转速（即供水流量）和供水压力，很明显该方案节能效果更好。但是由于水头损失等受各种因素影响，难以准确确定，实际应用的很少。
三、水厂变频供水系统供水装置设计
1、逻辑电子电路控制方式
这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本较低。
2、单片微机电路控制方式
这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。
3、带 PID 回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式
该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由 PID 回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。
由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。
4、新型变频调速供水设备
针对传统的变频调供水设备的不足之处，不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。
总之，变频供水方式从运行原理及运行过程分析方面探讨，可以看出此供水方式具有节能的优点，但具体问题需要具体分析，在变频恒压供水系统的设计过程中需要注意许多设计要点，否则无法取得预期的节能效果。
参考文献：
[1]黄立培， 张学. 变频器应用技术及电动机调速. 北京：人民邮电出版社，2007.
关键词：水资源 变频恒压 原理 特点 应用
一、水资源概况
水，并不是取之不尽，用之不竭的，节约水，我们要从身边的每一件事做起，从生活的点点滴滴做起。中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6%，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4。扣除难以利用的洪水泾流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米。我国水资源短缺、水污染严重 、水土流失严重 、水价严重偏低、水资源浪费严重。而且南方水多，北方水少。西部水少，沿海水多。于是节水显得尤为重要，节水是指通过行政、技术、经济等管理手段加强用水管理，调整用水结构，改进用水方式，科学、合理、有计划、有重点的用水，提高水的利用率，避免水资源的浪费。
二、全自动变频恒压供水系统必要性及工作原理
1、必要性：
20世纪90年代 ，在我国城乡供水及水泵抽灌系统中，电机以额定转速运行，并以额定出水量供水，当用水量减少或在用水低谷时，管网压力过高，水龙头和输水管道往往被损坏，这样造成电能与水资源的浪费。然而目前，变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，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用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统之一。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，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、工作原理；
设备投入运行前，首先应设定设备的工作压力等相关运行参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，变频器自动将原工作在变频状态下的泵，投入到工频运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。若两台泵运行仍不能保证管网的压力稳定，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将下一台泵投入变频运行。当用水量减少时，变频器以最低速信号运行，如这时压力上限信号仍出现，则PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停下一台工频运行的泵，直到最后一台泵用主变频器恒压供水。如果一台泵连续运行时间超过3小时，则切换下一台泵，避免了某一台泵工作时间过长，确保了泵的可靠寿命，进一步提高了工作效率，节约了能源。
变频调速恒压供水系统由变频器、泵组电机、供水管网、储水箱、（智能PID调节器）、压力变送器、PLC控制单元等部分组成，控制系统原理图如图1-1所示。其中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。压力变送器的作用是检测管网水压。智能PID调节器实现管网水压的PLC调节。PLC控制单元则是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整其它工频泵的运行台数。变频器和PLC的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动， 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。
智能PID调节器属于PLC扩展模块，可以与AD＼DA模块一起使用，得到过程控制模块的效果。同时它的功能可以被变频器的某些功能代替，达到同样的控制效果。其控制原理图如图1-2所示。
图1-2 恒压供水系统控制原理框图二
三、全自动变频恒压供水系统特点及适用范围
1、系统特点：
（1）高效节能。按需要设定供水压力，根据管网用水量来变频调节水泵转速，使水泵始终在高效率工况下运行，同普通的无塔供水设备相比，节能效果达到20%。
（2）对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接起动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、 过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。
（3）人机界面触摸面板操作，设计参数灵活方便。可灵活设定频率下限，加速时间、减速时间、换泵时间等各种工作参数，能够显示系统运行时间，查阅各种故障原因。
（4）定时唤醒功能。由于系统是根据管网用水量的多少来决定投入运行水泵的台数，所以当用水量长期在某一小范围内变化时就会使得某台水泵长期运行而磨损严重，而其他水泵长期不使用造成生锈，设定本功能后则可方便的解决该问题。对于同流量的多台水泵，为使各泵平均工作时间相同，须设置定时换泵功能。在设定了定时换泵功能后，当一台变量泵连续工作时间超过设定值后，且有变量泵处于“休息”状态，则变频器自动切换启动“休息”时间最长的变量泵，并停止原变量泵，以保证各台水泵运行时间均等，延长水泵使用寿命。换泵时间可任意设定。
（5）当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。
2、适用范围：
变频恒压系统广泛应用于居民区、宾馆及其它公共建筑的生活用水、锅炉补给水，加压泵站、各类工矿企业的生产用水、消防用水、锅炉恒压补水、输油管道增压、注水系统、农田灌溉等。
四、总结
目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。但国内变频调速恒压供水系统的水压闭环控制系统的研究还是不够的，因此，有待于进一步研究改善，使其能够被更好的应用于生活、生产实践中。坚持把节约用水放在首位，强化城市节约用水管理，努力创建节水型城市，实施可持续发展。
参考文献
1、贺玲芳.基于PLC控制的全自动变频恒压供水系统.西安科技学院学报，2000；
2、屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002；
关 键 词：变频，PLC，恒压供水，PID
随着人们对供水质量和饮用水水质要求的不断提高，变频恒压供水方式应用越来越广，它不仅很好地解决了老式屋顶水箱供水方式带来的水质二次污染问题，而且对水泵、电机也起到了很好的机械保护作用和有效地节约了电能的消耗，同时其具备的软起停功能和根据负载变化自动调节电机水泵转速或增加/减少投入运行的台数，从而避免了电机起动过程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操作的繁杂性。变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小区生活消防供水系统。本文将介绍基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统方式下的各种需求分析及其过程实现方法。
1，系统介绍
变频恒压供水系统原理，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、TC时间控制器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上；当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。
2 ，工作原理
该系统有手动和自动两种运行方式：
⑴. 手动运行
按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。
⑵. 自动运行
合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。
变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。
3， 故障处理
当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。
4，PLC控制系统编程逻辑思维
该系统采用的是西门子可编程序控制器S7200系列，PLC编程采用STEP7 MicroWIN V4，它是S7200PLC的视窗软件支持工具，提供完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。
泵组的切换。开始时，若硬件、软件皆无备用（两者同时有效时硬件优先），1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间（避免由于干扰而引起误动作）后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上；若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz，3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上；若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。
同样，若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。
5，PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号(4-20MA或-5V)直接送入PLC的A/D口，设定给定压力值，PID参数值，并通过PLC计算何以需切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。通常变频状态下变频器频率给定信号来自于PID调节仪的DC4～20mA输出，以此来调节电机水泵的运转速度，满足恒压目的。
6，自动切换变频/工频运行功能
变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：基本工作方式。变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率：控制其他辅助泵启停。即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵。由此控制增减工频运行泵的台数。交替方式，变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率，使辅助泵工频运行，此方式与方式0不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2泵1。 直接方式。当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行 (对于这个切换过程，我在这里要声明，这个切换必须和软启动的过程一样，才可以切换，要不会影响设备的寿命，严重的会烧毁变频器和电机) ，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。
7，注意事项
要使系统稳定的运行变频转工频开关切换时间TMC，设置TMC是为了确保在加泵时，泵由变频转为工频的过程中，同一台泵的变频运行和工频运行各自对应的交流接触器不会同时吸合而损坏变频器，同时为了避免工频启动时启动电流过大而对电网产生的冲击，所以在允许范围内TMC必须尽可能的小。上下限频率持续时间TH和TL 变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统以变频器运行的频率是否达到上限（下限）、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵（减泵），这个判断的时间就是TH（TL）。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化时就很可能引起频繁的加减泵动作；两种情况下都会影响恒压供水的质量。
结束语
通过以上各部分的分析与描述可知，在进行控制系统设计之前，必须调查清楚用户的需求，然后综合考虑各需求之间的关系和处理方法。基于PLC控制的多泵循环变频恒压供水系统采用PLC的开关量输入/输出方式来控制电机的起动与停止、状态迁移、检修与故障处理等功能，通过PID仪表、压力变送器来实现变频驱动电机水泵的速度调节(当然也可以通过触摸屏和模拟量输入输出混合模块来实现变频速度调节)，从而达到恒压供水的目的。控制系统在程序设计时充分考虑到负载均衡性原则，采取“先入先出”的排队策略，执行变频方式轮值，确保各泵使用率基本均衡。
参考文献
(1) 王占奎[M]. 变频调速应用百例[M]. 北京:科学出版社,1999.
(2) [P]S7 200PLC编程手册
关键词：变频恒压 供水系统 水资源 城市供水
社会经济的快速发展推动了我国工业建设的不断进步，而工业建设水平的全面提升使人们对于生活质量的要求标准越来越高。因此，城市供水系统也必须针对社会发展以及人们盛会水平的提升来进行适当的调整与改善，以满足社会生产与人们日常生活的要求。水是城市发展的基础性自然资源和战略性经济资源，而水环境则是城市发展所依托的生态基础之一。水在城市系统中具有五大主要功能角色：水是城市生存和发展的必需品和最大消费品，是污染物传输和转化的基本载体，是维持城市区域生态平衡的物质基础，是城市景观和文化的组成部分。
传统供水方式占地面积大，基建投资多，水质易污染，而最主要的缺点是水压不能保持恒定，导致部分设备不能正常工作。变频调速技术是一种成熟的新型交流电机无级调速技术。它以其独特优良的控制性能被广泛应用于供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能：
1.维持水压恒定；
2.控制系统可手动/自动运行；
3.多台泵自动切换运行；
4.系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤醒；
5.在线调整PID参数；
6.泵组及线路保护检测报警，信号显示等。
一、变频调速的特点及分析
城市中各各时段的用水量一般是动态变化的，因此供水过剩或供水不足的情况时而发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上。当用水量大而供水量小时，则压力低；当用水量小而供水大，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水量多时供水量也多，用水量少时供水量也少，从而提高了供水的质量。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。在生产生活供水时，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响生活质量，严重时会影响生存安全，如发生火灾时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，用水区域采用正艺恒压供水系统，能产生较大的经济效益和社会效益。
二、恒压供水的变频应用方式
通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，比如上海正艺信息科技的恒压供水控制系统就可实现一变频器控制任意数马达的功能。下面讲到的原理都是一变频器拖动多马达的系统。
三、PID控制原理
根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可实现该算法，同时对PLC的编程来实现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。
要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。
四、变频控制原理
用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，其优点主要表现为：
1.起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击
2.由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命
3.可以消除起动和停机时的水锤效应
五、恒压供水系统特点
1.节电
优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行；
2.节水
根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象；
3.运行可靠
由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。
4.联网功能
采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。
5.控制灵活
分段供水，定时供水，手动选择工作方式。
6.自我保护功能完善
如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。
参考文献
[1] 刘平；给排水验收工程的几点思考[J]；中小企业管理与科技（下旬刊）；2011（06）.
[2] 高阳.马青.胡蔚蔚 恒压变频供水系统的Matlab仿真模型研究 [J] -工业控制计算机2011（11） .
关键词：PLC；变频调速；流量；水压
1 系统总体方案及其要求
1.1 总体要求：
a)由多台水泵机组实现供水，流量范围600m3/h，扬程60米左右。
b)设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水;
c)供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小;
d)系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能；
e)各主泵均能可靠地实现软启动；
f)具有完善的保护和报警功能；
通过分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备PLC和变频器作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统， 其总体结构如下图所示。
2 主电路的设计方案
主电路设计如上图所示。三台大容量的主水泵(1#，2#，3#)根据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联，注意：每台主水泵的两个接触器都一定要进行接触器联锁，即KM1与KM2、KM3与KM4、KM5与KM6必须相互联锁，否则有可能会因接触器故障而造成变频器的输出端接上电源输入端而损坏;辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。
3 控制电路设计方案
3.1 设备启动后，首先某一台主泵在变频调速器控制下，投入变速运行，只有当输出压力达到预定值至其流量与用水流量相平衡时，转速稳定到某一值。
3.2 当用水流量增加时，主泵按设定速率（曲线）加速到另一稳定转速；而用水量小时，主泵按设定的速率（曲线）减速到新的稳定转速。
3.3 当变速运行主泵的转速达到最大转速后，用水量进一步增加时，该主泵转换到工频电源后恒速运行；变频调速器则转换到控制另一台主泵，使之投入变速运行。每当变速运行的主泵转速到最大时，将发生如上的转换 并有新的主泵投入并联运行。
3.4 当变速运行主泵的转速，因用水量减小而达到临界低转速后，用水量时一步减小，则PLC将控制停掉先开的一台主泵，遵守先开先停，后开后停原则；直到剩下一台主泵为止。
3.5 当只有一台主泵变速运行，且用水量接近于零时，产泵转速达到临界低转速时（这时变速运行主泵处于最小工作转速）。此主泵也被停泵而启用小容量辅助泵运行，以期节能和减少设备的无效运行。
4 PLC的程序设计
4.1 PLC的I/O端子接线图及变频器的端子接线图
4.2 PLC的流程图设计
5 总结
本系统具有以下的特点:
a) 采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备PLC和内置PID调节模块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水；
b) 系统具有完备的故障处理能力，可通过自动工频运行、远程手动控制和现场手动控制等方式确保供水，具有故障实时的现场报警和远程电话自动报警功能，具有故障电机锁定功能；
c) 系统实现了计算机和PLC的有效结合，具有远程监控与管理能力，具有先进性;
d) 系统采取变频调速方式实现恒压供水，节能效果明显；
e) 采用了PID调节方式，水压波动小，响应快。
参考文献:
[1] 韩安荣主编.通用变频器及其应用．机械工业出版社
[2] 姜乃昌陈锦章主编．水泵及水泵站．中国建筑工业出版社
[3] 张燕宾．变频供水的节能分析与近似计算．自动化博览，2000年
[4]王占奎等主编．变频调速应用百例．科学出版社，1999年
[5]张小明黄鸣春．变频调速供水系统使用研究．广东高校后勤研究
【关键词】变频器;恒压供水;PID
0.引言
作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国，每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。本文介绍一种变频调速恒压供水系统，该系统可根据管网瞬间压力变化，自动调节某台水泵的转速和多台水泵的投入及退出，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值，并满足用户的流量需求，使整个系统始终保持高效节能的最佳状态。
在实际工况中，用水量是时刻变化的，为了适应水量的变化，以往多采用调节泵出口阀门定时去控制泵出口压力在某一规定值上，这必然造成用水时有超压或欠压现象。水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到了节能效果。根据这一原理，在应用中选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术相结合，达到最佳的节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性曲线等因素发生什么变化，最不利点的水压是恒定的。保证了用水压力的可靠。
1.变频恒压供水特点
（1）恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。
（2）动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。
（3）采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。
（4）系统配置可实现全自动定时供水,彻底实现无人值守自动供水.控制系统具有故障报警和显示功能,并可进行工变频转换,应急供水。
（5）系统根据用户用水量的变化来调节水泵转速，使水泵始终工作在高效区，当系统零流量时,机组进入休眠状态,水泵停止，流量增加后才进行工作,节电效果明显，比恒速水泵节电23%-55%。
（6）整套设备只需一组控制柜和水泵机组，安装非常方便，占地面积少。
（7）采用全自动控制，操作人员只需转换电控柜开关，就可以实现用户所需工况。
2.系统组成及工作原理
变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力或专用控制器），采用一个压力传感器（反馈为4～20mA或0～10V）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，控制电机转速。如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过变频器作工频/变频切换起动另一台水泵，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，变频器自动减少输出频率。达到了节能的目的。
此系统主要由2台供水泵，1台变频器，1块远传压力表和一些相关设备组成。当用水量不大时变频器启动1＃泵电机，接触器KM2断开、KM1吸合，1＃泵变频运行，随着压力自动调节频率的高低以保持压力的恒定。当用水量增加1＃泵频率随之增大，如到工频仍不能满足要求时，变频器控制接触器KM1断开、KM2吸合，使1＃泵工频运行，然后KM3吸合使2＃泵变频运行。如用水量一直减少，则变频器控制2＃泵减速直至推出运行，使1＃泵转入变频运行，如果用水量继续减小，变频器转入休眠状态，停止输出。如果1台泵一直能满足用水量，出于保护电机的目的，可以设置变频器参数，使变频器控制2台电机每隔一段时间切换运行。
3.变频器PID调节功能
变频器是通过内置PID调节器对供水系统进行闭环控制的。首先设置一个恒定的给定压力值，变频器则通过现场压力传感器的反馈信号，进行PID调节，控制变频器的输出。通俗的说就是，当压力超过给定值则变频器减速，不足给定值则增速，供水系统始终保持恒定压力，变频器输出则无须考虑。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。其实一般供货厂家都有自己的经验数据，基本已经不需要现场人员再进行计算了。这里有一首调节方法的诗歌供大家参考。
参数整定找最佳，从小到大顺序查
先是比例后积分，最后再把微分加
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢，积分时间往下降
曲线波动周期长，积分时间再加长
曲线振荡频率快，先把微分降下来
动差大来波动慢。微分时间应加长
理想曲线两个波，前高后低4比1
一看二调多分析，调节质量不会低
4.结束语
水泵采用变频器控制后，泵的出口扬程大幅度下降，节能效果显著。由于电机转速下降，泵出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，延长了设备的使用寿命。提高了功率因数，（下82软启动特性避免电机直接启动时大电流对电机线圈和电网的冲击。采用变频器后，电动机和泵共同组合为一体，它既是动力源，又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了工人的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化，实现在线调整，保证管网末端压力恒定，不存在人为调整的滞后现象。总之，此系统具有体积小、调速范围大、效率高、无级调速等特点，运行安全可靠，实现闭环控制系统，满足用水需量，保证管网末端压力恒定，具有明显的节能降耗的经济效益，同时还延长了设备寿命，减少了维修工作量，是一种比较理想的调速系统。
【参考文献】
［1］冯垛生,张淼.变频器的应用与维护.广州:华南理工大学出版社,2003.
