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    一 概述

    隨著蕭山經濟的迅猛發展和人民生活水平的日益提高，蕭山區原有的3個自來水廠已經不能滿足居民生活的需要；同時為了實現全區城鎮區域供水的目標，新建了蕭山區第四水廠――蕭山南片水廠。

    蕭山南片水廠位于蕭山區戴村鎮，工程規模為30萬噸/日，目前為10萬噸/日。供水泵房安裝臥式離心泵5臺，其中3臺10kV高壓恒壓泵，2臺200kW、380V變頻穩壓泵，每臺泵出口裝有一個電動蝶閥。供水管網安裝壓力測量裝置，通過無線數傳設備傳至中控室。

    二 變頻恒壓供水技術

    變頻調速恒壓供水技術以其節能、安全、供水高品質等優點，在供水行業得到了廣泛應用。恒壓供水調速系統實現水泵電動機無級調速，依據用水量的變化(實際上為供水管網的壓力變化)自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今先進、合理的節能型供水系統。在實際應用中如何充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備、降低成本、保證產品質量等有著重要意義。

    新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論在設備的投資、運行的經濟性，還是在系統的穩定性、可靠性、自動化程度等方面，都具有無法比擬的優勢，而且具有顯著的節能效果。恒壓供水調速系統的這些優越性，引起國內幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并被不斷投入開發、生產。目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發展。追求高度智能化、系列化、標準化是未來供水設備適應城鎮建設中成片開發智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。

    在短短的幾年內，調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。雖然單泵產品系統設計簡易可靠，但單泵電動機深度調速造成水泵、電動機運行效率低，而多泵型產品的投資更為節省，運行效率也高，被實際證明是最優的系統設計，因此很快發展成為主導產品。

    三 變頻恒壓供水控制方式

    眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比，即N=Kn3，其中N為水泵消耗功率，n為水泵運行時的轉速，K為比例系數。而水泵是按工頻運行時速設計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于采用了變頻技術及微機控制技術，因此可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節能的目的。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗，節能效率可達20~ 40%。

    (1)帶PID回路調節器和/或可編程序控制器(PLC)的控制方式

    在該方式中，變頻器的作用是為電動機提供可變頻率的電源，實現電動機的無級調速，從而使管網水壓可控。傳感器的任務是檢測管網水壓；壓力設定單元為系統提供滿足用戶需要的水壓期望值；壓力設定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸給變頻器一個轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由后者進行運算后，輸給變頻器一個轉速控制信號。

    由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來講，既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入/輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變為模擬量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入/輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環節。

    (2)新型變頻調速供水設備

    針對傳統的變頻調供水設備的不足之處，國內外不少生產廠家近年來紛紛推出了一系列新產品，如華為的TD2100，施耐德公司的Altivar58泵切換卡，SANKEN的SAMCO-I系列，ABB公司的ACS600、ACS400系列，富士公司的G11S/P11S系列等。這些產品將PID調節器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存儲容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線調試非常容易，這不僅降低了生產成本，而且大大提高了生產效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優化算法，所以使水壓的調節十分平滑、穩定。同時，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數，同時還可對反饋信號進行換算，使系統的調試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高一點，但功能卻強很多，所以采用帶有內置PID功能的變頻器生產出的恒壓供水設備，降低了設備成本，提高了生產效率，節省了安裝調試時間。在滿足工藝要求的情況下應優先采用。

    (3)供水專用變頻器

    供水專用變頻器是將普通變頻器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一體化的系統，內置供水專用PID調節器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環控制系統。傳感器反饋的水壓信號直接送入變頻器自帶的PID調節器輸入口，而壓力設定既可使用變頻器的鍵盤設定，也可采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設定多段壓力運行，以適應供水壓力的需要。也可設定指定日供水壓力。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。

    系統供水有兩種基本運行方式：變頻泵固定方式和變頻泵循環方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺泵，可選擇“先開先關”和“先開后關”(適用泵容量不同場合)兩種水泵關閉順序；變頻泵循環方式最多可以控制4臺泵，系統以“先開先關”的順序關泵。

    四 蕭山南片水廠變頻恒壓供水控制系統

    蕭山南片水廠變頻恒壓供水控制系統通過遙測到的管網壓力，經PLC 的PID運算后，將控制信號送至變頻器，調節變頻器的輸出頻率，實現管網的恒壓供水。為防止水錘現象的產生，泵的啟停將聯動其出口閥門。

    (1)自動投切泵

    泵的自動投切只有在PLC全自動控制方式下才能實現。一般情況下，PLC通過采集管網壓力，經PID運算后，把控制信號傳至變頻器，自動調節輸出頻率，進行恒壓變量供水。但當變頻器頻率已升至50Hz或降至30Hz，管網壓力仍不能滿足要求時，PLC將執行投/切泵程序。

    壓力信號同時作為爆管報警的信號源，當管網的壓力突然下降，而出水的流量超過正常值時，上位機將發出聲光報警，并記錄報警信息。

    (2)啟動程序

    先檢測清水池的水位，如果水位達到啟泵水位，則啟動啟泵程序，啟動水泵。啟泵時先啟動真空泵抽真空，如果真空度形成，則可以開閥，啟泵完成。如果抽真空失敗，則關閉真空泵，停止啟泵并報警。

    (3)投泵程序

    當變頻器升至50Hz，而管網壓力仍低于壓力設定值時， PLC將開始計時，在規定時間內，若管網壓力達到設定壓力值，則PLC放棄計時，繼續變頻調壓；在規定時間內，若管網壓力仍低于設定壓力值，PLC 將首先降低變頻器頻率至一定范圍，然后啟動恒壓泵。

    (4)切泵程序

    當變頻器降至30Hz，而管網壓力仍高于壓力設定值時，PLC將開始計時，在規定時間內，若管網壓力降低至設定壓力值，則PLC放棄計時，繼續變頻調壓；在規定時間內，若管網壓力仍高于設定壓力值，PLC 將切除恒壓泵，同時變頻器頻率將升高，以滿足管網壓力要求；若管網壓力仍高于壓力設定值，PLC將會依次切除恒壓泵，直至管網壓力達到設定值。

    (5)投切順序

    泵的投切將遵循“先投先切、先切先投”的切換控制方式。即水泵在切換時，PLC根據其運行狀況，將其自動排列至運行隊列或待運行隊列中，在下次切換時，PLC將根據其排列順序，自動投切水泵。當水泵出現故障時，PLC自動將其從切換隊列中退出，以便維修人員對其進行維修，而系統仍在全自動控制方式下運行，實現變頻恒壓變流量供水。

    (6)停泵程序

    停泵時，先將出水閥門關至1/3位置，然后停泵，最后將閥門關閉。

    五 結束語

    蕭山南片水廠采用變頻恒壓供水控制后，首先，在設計、施工中徹底取代了高位水箱、水池、水塔和氣壓罐供水等傳統的供水方式，消除水質的二次污染，而且更具有節省能源、操作方便、自動化程度高等優點；其次，該廠的供水調峰能力明顯提高，不僅對一天之內的中午和晚上的生活用水高峰，而且對由于天氣情況引起的綠化用水高峰和時間不確定的基建用水高峰，都能正確自動調節；其三，大大減少了開泵、切換和停泵次數，由此減少對設備的沖擊，延長使用壽命。