試論供水系統(tǒng)自動(dòng)控制問(wèn)題與對(duì)策

鄒偉志

【摘 要】本文介紹了變頻器在自動(dòng)控制恒壓供水系統(tǒng)上的應(yīng)用。簡(jiǎn)述了變頻器恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)組成和控制方法等。重點(diǎn)介紹了變頻器PID調(diào)節(jié)功能的參數(shù)設(shè)定方法。通過(guò)論述和比較，表明此恒壓供水系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)方式具有很大的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】變頻器；自動(dòng)控制；恒壓供水；問(wèn)題與對(duì)策

作為供水工程中的通用機(jī)械，消耗著大量的能源，電耗往往占制水成本的60%以上，在我國(guó)，每年水泵的電能消耗占電能總消耗的21%。為了節(jié)約降耗，必須采取調(diào)節(jié)措施使泵站適應(yīng)負(fù)荷變化的運(yùn)行。本文介紹一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)某臺(tái)水泵的轉(zhuǎn)速和多臺(tái)水泵的投入及退出，使管網(wǎng)主干管出口端保持在恒定的設(shè)定壓力值，并滿足用戶的流量需求，使整個(gè)系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。

在實(shí)際工況中，用水量是時(shí)刻變化的，為了適應(yīng)水量的變化，以往多采用調(diào)節(jié)泵出口閥門定時(shí)去控制泵出口壓力在某一規(guī)定值上，這必然造成用水時(shí)有超壓或欠壓現(xiàn)象。水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到了節(jié)能效果。根據(jù)這一原理，在應(yīng)用中選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過(guò)壓力傳感器以獲得壓力信號(hào)，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無(wú)論管路特性曲線等因素發(fā)生什么變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的。保證了用水壓力的可靠。

1.變頻恒壓供水特點(diǎn)

（1）恒壓供水能自動(dòng)24小時(shí)維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，無(wú)級(jí)調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會(huì)造成管網(wǎng)破裂及水龍頭共振現(xiàn)象。

（2）動(dòng)平滑，減少電機(jī)水泵的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象。

（3）采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等保護(hù)功能。

（4）系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)供水，徹底實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)供水.控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警和顯示功能，并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換，應(yīng)急供水。

（5）系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量的變化來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)零流量時(shí)，機(jī)組進(jìn)入休眠狀態(tài)，水泵停止，流量增加后才進(jìn)行工作，節(jié)電效果明顯，比恒速水泵節(jié)電23%-55%。

（6）整套設(shè)備只需一組控制柜和水泵機(jī)組，安裝非常方便，占地面積少。

（7）采用全自動(dòng)控制，操作人員只需轉(zhuǎn)換電控柜開(kāi)關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)用戶所需工況。

2.系統(tǒng)組成及工作原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設(shè)定壓力（也可采用面板內(nèi)部設(shè)定壓力或?qū)Ｓ每刂破鳎捎靡粋€(gè)壓力傳感器（反饋為4～20mA或0～10V）檢測(cè)管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號(hào)送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個(gè)水量增加或減少信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。如在一定延時(shí)時(shí)間內(nèi)，壓力還是不足或過(guò)大，則通過(guò)變頻器作工頻/變頻切換起動(dòng)另一臺(tái)水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致。另外，隨著用水量的減少，變頻器自動(dòng)減少輸出頻率。達(dá)到了節(jié)能的目的。

此系統(tǒng)主要由2臺(tái)供水泵，1臺(tái)變頻器，1塊遠(yuǎn)傳壓力表和一些相關(guān)設(shè)備組成。當(dāng)用水量不大時(shí)變頻器啟動(dòng)1#泵電機(jī)，接觸器KM2斷開(kāi)、KM1吸合，1#泵變頻運(yùn)行，隨著壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率的高低以保持壓力的恒定。當(dāng)用水量增加1#泵頻率隨之增大，如到工頻仍不能滿足要求時(shí)，變頻器控制接觸器KM1斷開(kāi)、KM2吸合，使1#泵工頻運(yùn)行，然后KM3吸合使2#泵變頻運(yùn)行。如用水量一直減少，則變頻器控制2#泵減速直至推出運(yùn)行，使1#泵轉(zhuǎn)入變頻運(yùn)行，如果用水量繼續(xù)減小，變頻器轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，停止輸出。如果1臺(tái)泵一直能滿足用水量，出于保護(hù)電機(jī)的目的，可以設(shè)置變頻器參數(shù)，使變頻器控制2臺(tái)電機(jī)每隔一段時(shí)間切換運(yùn)行。

3.變頻器PID調(diào)節(jié)功能

變頻器是通過(guò)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的。首先設(shè)置一個(gè)恒定的給定壓力值，變頻器則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓力傳感器的反饋信號(hào)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，控制變頻器的輸出。通俗的說(shuō)就是，當(dāng)壓力超過(guò)給定值則變頻器減速，不足給定值則增速，供水系統(tǒng)始終保持恒定壓力，變頻器輸出則無(wú)須考慮。PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（1）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；（2）僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（3）在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。在實(shí)際調(diào)試中，只能先大致設(shè)定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，然后根據(jù)調(diào)節(jié)效果修改。

綜上所述，水泵采用變頻器控制后，泵的出口揚(yáng)程大幅度下降，節(jié)能效果顯著。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，泵出口壓力降低，減少了機(jī)械磨損，降低了維修工作量，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。提高了功率因數(shù)，軟啟動(dòng)特性避免電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)大電流對(duì)電機(jī)線圈和電網(wǎng)的沖擊。 采用變頻器后，電動(dòng)機(jī)和泵共同組合為一體，它既是動(dòng)力源，又是供水調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的控制方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，減少了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。閉環(huán)控制系統(tǒng)適應(yīng)水量變化，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，保證管網(wǎng)末端壓力恒定，不存在人為調(diào)整的滯后現(xiàn)象。總之，此系統(tǒng)具有體積小、調(diào)速范圍大、效率高、無(wú)級(jí)調(diào)速等特點(diǎn)，運(yùn)行安全可靠，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，滿足用水需量，保證管網(wǎng)末端壓力恒定，具有明顯的節(jié)能降耗的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，減少了維修工作量，是一種比較理想的調(diào)速系統(tǒng)。

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