自動恒壓供水技術及其在中小型水廠的應用
中小型水廠是指日供水能力在一萬噸到十萬噸的范圍，水泵電機由380V低壓供電，單功率在315KW以下的水廠。這種規格的水廠在我國的中小城市、大中型工礦企業及經濟發達地區的鄉鎮中都極為普遍。
這類水廠水泵配置一般有（大、小）兩檔或（大、中、?。┤龣n功率。水泵的數量和容量由備用要求和供水能力決定，不同檔功率的水泵用來調節供水壓力。水泵電機同（自耦）變壓器降壓啟動裝置來啟動，啟動電流較大。一般采用以下兩種供水方式：
1.通過開、停不同組合的機組來調節供水壓力，直接給管網用戶供水。這種供水方式機組開、停頻繁，供水壓力只能作有級調節，受操作人員的限制較多。若機組開、停調整不及時或機組功率大小配置不合理，隨著用水量的變化，會出現供水壓力的大幅度波動。供水壓力過低、不能滿足用戶要求。壓力過高時，使管網泄漏和每噸水耗電量增加，造成浪費，容易造成爆管事故。
2.在第一種供水方式的基礎上，在管網中增設高位水池。這種方式可以緩解供水壓力的波動，也有一定的節能效果。但高位水池占地面積大、造價高。需要增加值班人員、對水質也有二次污染。由于水池高度和其在管網中的位置受地理環境的限制，在很多水廠起到的節能效果并不明顯，只是在泵站短時停電時保證用戶用水的要求。因此采用這種供水方式不是佳的解決辦法。
目前，在水泵調速基礎上發展起來的恒壓供水技術已廣泛應用于中小型水廠的泵站運行控制，在提高供水質量和降耗節能入自動化生產方面都有十分明顯的經濟效益和社會效益。
果較差。另一種是調節電機的轉速。交流異步電機轉速如下：
水泵調速及節能分析
1.水泵調速節能分析
眾所周知，在水廠的網系統中，對于水泵，其揚程（H）、流量（Q）、轉速（n）和軸功率（P）之間存在如下的關系：
Q=K1n H=K2n2
P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3
其中K1、K2、K3、K為常數。可以看出，水泵出口流量與轉速成正比，揚程與轉速的平方成正比，消耗的軸功率與轉速的三次方成正比。對水泵進行調速運行，不僅對供水流量與壓力進行調節，而且有著非常明顯的節能效果。
2.調速方式分析
水泵調速的途徑有兩種。一種是電機轉速不變，通過電機與水泵間的耦合器來達到調速的目的，常見有液力耦合器。這種方式效率低，節能效 果較差。另一種是調節電機的轉速。交流異步電機轉速如下：
式中f為電源頻率，p為電機的極對數。S為轉差率?？梢娬{速方式有多種，如調壓調速、變級調速、串級調速和變頻調速等。其中變頻調速由于其調速范圍寬、電機效率高、適用面廣、可改善電機功率因數、性能價格比高、節能效果最好等諸多優點而越來越多地就用于需要調速的場合。目前變頻調速器（以下簡稱變頻器）已廣泛應用于水泵調速。
恒壓供水技術
恒壓供水的基本思路是：采用電機調速裝置控制水泵組調速運行，并自動調整水泵組的運行臺數，完成供水壓力的閉環控制，在管網流量變化時達到穩定供水壓力和節能的目的。系統任意設定供水壓力值，其與反饋總管的實際壓力值通過PID調節后控制調速裝置，以調節水泵機組的運行速度，從而調節系統的供水壓力。
恒壓供水技術采用的調速裝置基本上都是變頻調速器。而系統控制器的選用經過了單板機，單片機、溫控器、可編程序控制器（PLC）的發展過程。PLC控制的變頻恒壓供水系統目前是恒壓供水控制的主流，它以可靠性高、編程簡便、靈活性強、系統自動化程度高等諸多優點而受到普遍歡迎。PLC不僅可以實現數字PID調節功能，并可完成水泵組的監控、自動抽真空、自動抽剩余水等一系列控制功能，并可實現系統的優化控制，以達到最佳的節電效果。
在中小型水廠的管網系統中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量由用戶的用水量決定。泵站供水的壓力以滿足管網中壓力最不利點的用戶的用水要求為前提。而管網從泵站到壓力最不利點的壓力損失（△H）和流量（Q）之間存在著如下關系：
△H=k Q2
設HST為壓力最不利點所需要的最低壓力，則泵站出口總管壓力H按下式的關系供水，則可滿足用戶的要求，又有最佳的節電效果：
H= HST + △H= HST + K Q2
因此，供水系統的設定壓力應該根據流量的變化而改變較為合理。這種恒壓供水技術稱為變量恒壓供水。采用這種方式供水時系統必須檢測泵站的出水流量，在我國目前的情況下，流量計的穩定性、可靠性和準確性都不高，用流量作為控制量會對系統的控制性能和可靠性產生較大的影響。因此這種調節方法在實際工程中應用較少。但流量變化的規律基本上可以掌握，因此在大多數場合，都采用時鐘控制器定時自動改變設定壓力的方法來近似流量的變化規律。實踐證明這種分時可變恒壓供水的方法可以達到比較理想的控制效果。
在有些場合，考慮到停電時的供水問題，采用恒壓供水系統后還需要保留高位水池。這種情況下由于管網不是全封閉的，不能根據管網流量的變化來確定供水壓力。一般根據經驗確定一個比較合適的供水或根據高位水池的水位高低來調節供水壓力。
由于變頻器價格比較昂貴，在恒壓供水技術改造時，一般采用一臺調速泵和多臺恒速泵并聯運行。當管網流量變化時，采用開停恒速泵進行大調，利用調速泵進行細調。調速泵選擇泵站中的大泵，使調節范圍較大。恒速泵的功率以小于調速泵額定功率的三分之二大于調速泵額定功率的二分之一為好，這樣既可以保證調速泵運行于高效區，以提高調速泵的運行效率，又可以保證調速泵有較寬的調節區域，以減少恒速泵的開停。
應用實例
下面以某水廠的PLC控制全自動變頻恒壓供水系統為例，來介紹系統的組成、功能和控制效果。
水廠二級泵站中有三臺階25KW大泵和兩臺132KW小泵。每臺泵的出口配有電動閥。原系統機組由自耦變壓器降壓啟動裝置啟動運行。管網中有一個兩千立方米的高位水池。
1．系統組成及功能
系統原理如圖1所示，主要由變頻器、PLC和低壓電氣元件組成。系統與原系統的自耦變壓器降壓啟動裝置及閥門控制器組成一個整體對五臺機組進行自動控制。變頻器選用日本三墾公司的MF-220K型變頻器，PLC選用德國西門于公司S7-200系列可編程控制器具有以下功能：
圖1
A．五臺泵可在任何時候選擇進入或退出本控制系統。變頻器可對三臺大泵軟啟動調速運行，由PLC控制變頻/工頻切換。兩臺小泵可自動通過啟動柜投入系統運行。變頻運行機組和對應的啟動柜實現可靠的電氣和軟件互鎖。以保證系統的安全運行。
B．系統根據總管道的實際壓力變化，自動調節變頻器運行頻率，自動改變投入系統運行的機組，以跟蹤設定壓力。設定壓力可根據時鐘控制器或高位水池水位的變化來調節。
C． 系統有自動/手動切換功能，和原系統互為備用。
D．系統根據“先開泵后開閥，先關閥后停泵”的原則對泵出口電動閥門的開關實現自動控制。
E． 系統設有超水壓、欠水壓、變頻故障、閥門故障、山頂水池溢出
等故障的聲光報警指示和電壓、電流、水位、設定壓力、反饋壓力、閥門開關狀態的指示。
2.基本控制原理
圖2為系統控制原理框圖。
PLC作為整個系統的核心控制部件，完成模擬量的采樣、運算和輸出，并完成控制系統的開停、大泵的變頻/工頻切換、小泵的自動投切、各種工況的監控以及各種故障的檢測、判斷、處理和報警等任務。
圖2
系統根據設定壓力與反饋壓力的偏差，通過PI調節器輸出的模擬信號來控制作變頻運行的機組的運行轉速，從而改變泵的出水流量來達到調節供水壓力的目的。當設定壓力大于總管道的出水壓力時，變頻泵的運行頻率會不斷提高。當變頻器的運行頻率達到點50HZ，系統便開始計時。如果200秒內變頻泵的運行頻率一直維持在50HZ運行，系統便會自動加泵。加泵時先加小泵，若系統中無小泵可加或已有一臺小泵運行時，便會加大泵。加泵時，對于同容量的機組，以先切除先投入為原則。加大泵時，原來作變頻運行的機組切換到工頻運行，后加入的機組由變頻器軟起動并作變頻運行。
當設定壓力小于總管出水壓力時，變頻器運行頻率會不斷下降。當變頻器的運行頻率小于設定的減泵下限頻率時，系統開始計時。如果15.0秒內變頻器的運行頻率一直維持在系統設定的減泵下限頻率以下，系統便自動減一臺泵。減泵時以先投入先切除為原則，先減小泵再減大泵。系統中沒有作工頻運行的泵時。系統不作減泵操作。
系統處于運行狀態時，保證任何時候有一臺大泵作變頻運行。如果系統剛運行或原變頻機組由自動轉手動而使系統中沒有機組作變頻運行，系統將先尋找處于自動狀態下且沒有運行的大機組作變頻運行。如果沒有這樣的機組，系統便會去尋找一臺處于自動狀態下作工頻運行的機組，將其停機后再變頻起動運行。這兩種狀態的機組都沒找到，說明所有大泵均處于手動狀態，系統會一直等待，直到有大泵由手動投入自動系統。
3.控制方式
系統根據壓力設定方法的不同，有兩種工作方式，可供用戶選擇：
1）分時控制方式。系統根據日供水量的變化規律，分時段由三檔壓力供水。時段的劃分由用戶完成，并存入PLC中。PLC中設有時鐘控制器，可根據時間自動切換不同設定壓力檔。根據冬天和夏天供水量變化規律的不同，時段的劃分也已作了適當的調整。三檔壓力的設定值可由操作人員通過電位器方便地調整。時段劃分如下：
夏季——七、八、九月
Ⅰ檔壓力：05：00—09：00、11：00—15：00、17：00—24：00
Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、15：00—17：00
Ⅲ檔壓力：00：00—05：00
冬季——除七、八、九月以外的時間
Ⅰ檔壓力：06：00—09：00、11：00—14：00、17：00—22：00
Ⅱ檔壓力：09：00—11：00、14：00—17：00、22：00—24：00
Ⅲ檔壓力：23：00—06：00
2）水位調節方式。系統的壓力設定值由Ⅰ檔壓力設定電位器來調節，并根據山頂2000立方米水池的水位按以下規律作修正：
P=P-H/Ho(Po - PMIN)
式中： P——實際設定壓力值
Po——I檔壓力設定電位器的設定值（供水壓力上限設定值）
H——水池實際水位高度
Ho——水池水位上限設定值
PMIN ——供水壓力下限設定值
當水池水位增高時，實際供水壓力會隨之下降，水池水位達到上限時，供水壓力達到壓力下限（此時管網的水應該揚不到水池中）。反之，當水池水位降低時，實際供水壓力會隨之升高，水池水位高度為零時，供水壓力達到壓力上限。對水池水位實現自動監控，省去了原來的值班人員。
4.軟件編程的幾點說明
本系統的控制程序是通過專用梯形圖編輯軟件在PC機上完成，再通過專用通信口傳輸到PLC中。編程過程中應注意以下幾點：
A.模擬信號的采樣時間的確定。壓力信號選1-2秒。水位信號選5-8秒。
B.PI調節器的輸出結果需作上下限限幅處理，以保證壓力調節的快速性。上限值與變頻器的50HZ運行頻率相對應，下限值要保證變頻器運行在水泵高效工作區域，并和加減延時時間相配合，保證系統在加、減泵時不會出現振蕩現象（即加泵后立即減泵，減泵后又立即加泵的現象）。比例常數和積分常數的選取以系統供水壓力波動能滿足要求，壓力調節快為原則，根據系統慣性大小在現場調試時確定。
C.程序必須考慮機組故障和各種誤操作時的處理和報警，以確保系統運行的安全性和可靠性。
D.對先投入先切除功能的實現，程序中采用堆棧的方式。對三臺大歷史意義和兩臺小泵分別建立一張堆棧表，根據泵組的自動/手動情況、開/停情況、故障情況、小泵開停的準優先原則來確定下一次機組開停的對象。
本系統使生產自動化程度大大提高，操作方便，工人勞動強度大大降低。由于系統智能程度高，功能齊全。給系統的維護和檢修也帶來了極大的方便。運行穩定可靠，供水質量明顯提高，可使用戶投訴減少。由于供水壓力穩定，調整方便，有效地控制了由供水壓力過高引起的管漏和爆管現象。據運行數據測算，節電效果非常顯著，噸水單耗省電達20%，有很好的經濟效益。
目前中小型泵站的控制設備普遍比較落后，自動化程度低下，工人的素質相對較低。根據現狀和我國對這類水廠的技改要求，在中小型水廠應用PLC控制的變頻恒壓供水系統，由于其技術先進、自動化程度高、可靠性高、操作簡便、投資回報快、節能效果好等優點而成為大勢所趨。我公司已愿與各中小型水廠合作完成恒壓供水的技術改造，使這些水廠在自動化生產、節能和管理上都上了一個新的臺階。
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