高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计

1 概论

随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。

变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.1变频恒压供水产生的背景和意义

众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下就逐一分析。

1．一台恒速泵直接供水系统

这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。

2．恒速泵加水塔的供水方式

这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大，水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要；而且系统水压不能随系统所需流量和系统所

需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。

3．恒速泵加高位水箱的供水方式

这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。

4．恒速泵加气压罐供水方式

这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，在介绍完变频调速供水方式后，再将二者做一比较。

5．变频调速供水方式

这种系统的原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速水泵调速控制方式有三种：

水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。

(1) 出口恒压控制

水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中水泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能效果。

(2) 出口变压控制

水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只是一个。是将每日24小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天24小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水

泵出口压力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越复杂。

(3) 最不利点恒压控制

最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。

变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在系统用水量下降时可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。而变频调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/3-1/6，因而每个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。

由此可见，变频调速式供水系统具有节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。

1.2 变频恒压供水系统的国内研究现状

变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水

泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出子恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw) ，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。

1.3 课题来源及本文的主要研究内容

1．课题来源

本课题来源于生产、生活供水的实际应用。

2．研究的主要内容

通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、各种

传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以用于深井泵恒压供水系统、各类型的自来水厂、供热和空调循环用水系统、消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。本文研究的主要内容如下：（a）通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。

（b）分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，并归纳实用性的控制方案。

（c）研究PID控制器的设计原理及方法。

（d）设计变频恒压供水系统的硬件和软件。

2 调速恒压供水系统能耗与安全性分析

在供水系统中，用水量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法维持管压恒定，

同时也影响设备寿命；若采取阀门控制调节流量来维持管压，必然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种不错的选择。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节20-50%，节能效果相当显著。在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。

2.1 供水系统的基本模型和主要参数

供水系统的基本模型如图2-1所示。

图2-1 供水系统的基本模型 a)全扬程的概念 b)基本模型 摩擦损失

吸入口 水压 全

扬

程

实 际 扬

程 )(m H B )(m H T 泵

H0 H1 H3

H2

水面 L0

图中： 0L —— 水泵中心位置；0h —— 吸水口水位；1h —— 水平面水位；2h —— 管道最高处水位；3h —— 在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在3h 大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常水。

主要参数有：

1．流量Q 单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是3

m /min ；

2．扬程H 也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上

等于对应的水位差，常用单位是m ；

3．实际扬程B H 供水系统中，实际的最高水位2h 与最低水位1h 之间的水位差，即供水系统

实际提高的水位。即：B H =2h -1h ；

4．全扬程T H 水泵能够泵水上扬的最高水位3h 与吸入口的水位0h 之间的水位差。全扬程的

大小说明了水泵的泵水能力。即：T H =3h -0h ；

5．损失扬程L H 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。B H ,T H ,L H 之间的关系是： T H =B H +L H 。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；

6．管阻R 阀门和管道系统对水流的阻力和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，

难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述；

7．压力P 表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的

结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。

2.2 供水系统的特性曲线和工作点

供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在

联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线图可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。

图2-2中：

曲线①——额定转速N n 时的扬

程特性曲线；

曲线②——转速1n 时的扬程特性

曲线；

曲线③——阀门开度100%时的

管阻特性曲线；

曲线④——阀门开度不足100%

时的管阻特性曲线。

图2-2 供水系统特性曲线 1．扬程特性

以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间 的关系曲线)(Q f H T =，称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线①、②分别对应于转速N n 、1n ，且N n ＞1n 。

曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的

全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用U Q 表示。

用水量一定时，即U Q 不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。

2．管阻特性

以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线)(Q f H T =，

称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线③对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。

管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不

变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可E H 0H N H C H E Q N Q

O B H ②

① ③ ④ T H A B N

以认为是供水流量，用G Q 表示。

在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的G Q 和U Q 是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。

当供水流量G Q 接近于0时，所需的扬程等于实际扬程（B T H H =）。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。

3．供水系统的工作点

扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。

图2-2中的N 点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。

4．供水功率

供水系统向用户供水时所消耗的功率G P （kW)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比

Q H C P r P G = （2-1）

式中P C 一一比例常数。

2.3 供水系统中恒压实现方式

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量G Q 表示)和用水需求(由用水流量U Q 表示)之间的平衡情况有关。

若供水能力G Q ＞用水需求U Q ，则压力P 上升；

若供水能力G Q ＜用水需求U Q ，则压力P 下降；

若供水能力G Q = 用水需求U Q ，则压力P 不变。

可见 ，流体压力P 的变化反映了供水能力与用水需求U Q 之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。

(1) 阀门控制法

转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。

实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

(2) 转速控制法

阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。

实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

2.4 异步电动机调速方法

通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式

)1(60)1(1s p

f s n n -=

-= (2-2) 式中 1n 一一异步电动机的同步转速，min /r ； n 一一 异步电动机转子转速，min /r ；

p 一一 异步电动机磁极对数；

f 一一 异步电动机定子电压频率，即电源频率；

s 一一 转差率 ，1

1n n n s -=×100%。 由式（2-2）可知调速方法有变极调速、变转差调速和变频调速。

1．变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。