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恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)化實驗綜述

王麗

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院，安徽 六安 237011)

摘要：水是人類世界生活中不可缺少的物質(zhì)，隨著居民生活水平和居住環(huán)境的不斷提高，落后的供水模式已經(jīng)不能滿足目前居民生活用水需求，所以，小區(qū)供水建設(shè)和改革已經(jīng)成為了一個重要的課題，而高效節(jié)能的變頻恒壓供水技術(shù)是未來小區(qū)供水的主要方式，其具有一定的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，所以值得我們大力推廣。本文主要對傳統(tǒng)恒壓供水和新式恒壓供水的優(yōu)點、缺點及設(shè)計做深入綜述。

關(guān)鍵詞：恒壓供水；發(fā)展現(xiàn)狀；研究現(xiàn)狀；優(yōu)點；缺點

水是我們?nèi)祟惾粘Ｉ钪须x不開的重要資源，在當(dāng)下全球水資源短缺的背景下，如何做好水資源的節(jié)能和高效提供，也是目前我國供水改革必須思考的問題[1]。我國在生活用水和工業(yè)用水方面的技術(shù)一直比較落后，大部分都是采取恒速泵結(jié)合高位水箱或是密閉水塔等方式進(jìn)行供水，自動化程度也不高，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市高層建筑的不斷增多，目前這種落后的供水技術(shù)也不能滿足日常用水需求，這使得人們對于恒壓供水有了更高更嚴(yán)格的要求，為了更好地適應(yīng)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們需要改革當(dāng)前這種落后的恒壓供水技術(shù)，通過結(jié)合計算機(jī)、自動控制等技術(shù)，改革傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)。[2]所以，本文以此為目的，通過查閱和總結(jié)相關(guān)學(xué)者的研究成果，總結(jié)傳統(tǒng)供水的缺點和優(yōu)化后的供水系統(tǒng)優(yōu)點，以此來適應(yīng)城市的快速發(fā)展和居民用水需求。

1供水系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

1.1供水系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，變頻恒壓供水技術(shù)也隨之發(fā)展起來，在20世紀(jì)末，由于變頻器生產(chǎn)廠家將變頻器的功能局限在工業(yè)方面，導(dǎo)致變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的使用非常簡單，僅僅把變頻器作為一個微小的控制環(huán)節(jié)，從而未能將變頻器的功能完全發(fā)揮于恒壓供水系統(tǒng)中[3]。為了能更好地滿足當(dāng)前的用水需求，人們開始將變頻器通過增加壓力和流量傳感器后，大量應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。從筆者查閱的相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計大多用一臺變頻器結(jié)合一臺電機(jī)運行的，很少有用一臺變頻器結(jié)合多臺電機(jī)運行的，所以導(dǎo)致恒壓供水系統(tǒng)的投入成本過高。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的研究開始針對恒壓供水體系進(jìn)行，而且也推出了變頻器自動化水平較高的節(jié)能設(shè)計，例如日本三墾公司推出的“變頻泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”的恒壓供水基板，就是一款非常好的變頻恒壓供水元件，它可以實現(xiàn)PLC可編程控制等功能[4]。只需與配套的供水裝置連接，就可以一臺帶動5臺以上的電機(jī)進(jìn)行運行，這就使得變頻恒壓供水系統(tǒng)的成本大大節(jié)約，但是由于穩(wěn)定性和容量不高，因此未能得到推廣使用。

目前，國內(nèi)外有許多廠家都致力于變頻供水系統(tǒng)的研究和開發(fā)，其中比較好的變頻器是采用PLC來實現(xiàn)的，還有一部分變頻器是采用單片機(jī)技術(shù)來實現(xiàn)，但是其抗干擾性較差，仍然不能滿足社會用水需求[5]。

最近，艾默生電氣公司和希望森蘭變頻器制造公司先后生產(chǎn)了一款專門用于恒壓供水體系的變頻器，該變頻器無需外接其它設(shè)備，可以同時控制4臺電機(jī)運行，而且還在該變頻器內(nèi)部另外增加了兩個單元，分別是閉環(huán)控制和循環(huán)控制。其缺點就是不能一次帶動多臺電機(jī)運行，而且通信功能不太好控制，因此對于要求極大節(jié)約成本的恒壓供水體系來講，還有待于改善和提升[6]。

1.2供水系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，使得變頻調(diào)速技術(shù)在用電行業(yè)里得到廣泛推廣，其中，變頻恒壓供水技術(shù)就是變頻調(diào)速技術(shù)領(lǐng)域中的典型[7]。先前，外國生產(chǎn)的變頻器主要用于控制電機(jī)的啟動和停止、電機(jī)換向控制和速度調(diào)節(jié)等各種保護(hù)功能。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻中可編程的邏輯控制器，作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)之間的控制環(huán)節(jié)，以保證管道內(nèi)供水壓力恒定，以滿足不同時間的供水需求量，需要提供一個外部壓力傳感器和壓力控制器，對水壓進(jìn)行閉環(huán)控制。

目前，我們國內(nèi)有很多公司在做變頻恒壓供水項目，但大多使用國外變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)整管內(nèi)水壓主要是通過采用單片機(jī)和PLC及相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)，但是在系統(tǒng)性能和動力性能、抗擾性能和開放性等多項綜合技術(shù)指標(biāo)方面，仍然欠缺穩(wěn)定，不能滿足用戶的所有要求[8]。像前面所說的艾默生集團(tuán)生產(chǎn)和國內(nèi)希望集團(tuán)生產(chǎn)的變頻器，都是只能帶動4臺電機(jī)運行，雖然無需外接其它調(diào)節(jié)，但是其輸出接口限制了驅(qū)動電機(jī)的容量，并且操作不方便使用，數(shù)據(jù)通信功能缺乏，使得它僅適用于負(fù)載能力相對較小和的供水站。

從筆者查閱的文獻(xiàn)和以往研究成果來看，傳統(tǒng)的恒壓供水體系大多是由一個單一的變頻器控制單臺水泵機(jī)，很少使用單個變頻器帶動多個驅(qū)動泵機(jī)組運行的情況，導(dǎo)致投資成本過高。隨著變頻控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是在供水系統(tǒng)中，變頻器工作穩(wěn)定性和安全性的提高，高效節(jié)日也日益受到人們的重視。眾多國外廠商開始生產(chǎn)變頻器逆變器不斷的關(guān)注，并推出水景，如日本SAMCO公司推出的變頻恒壓供水基板，在兩種工作模式[9]。雖然這種設(shè)備的成本不高，而且集成了電路結(jié)構(gòu)，但是變頻器輸出接口不太靈活，并且大量的配置數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件很難實現(xiàn)通信，并限制驅(qū)動器的容量，所以在實際使用中，它的使用仍然有一些限制。

通過以上分析的國際國內(nèi)形勢，發(fā)現(xiàn)在在恒壓供水體系的變頻調(diào)速設(shè)計和研究中，在結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)時，應(yīng)系統(tǒng)考慮到電磁兼容性控制的頻率閉環(huán)液壓供水系統(tǒng)還需要進(jìn)一步完善。因此，要進(jìn)一步研究，以提高變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使他們能夠更好地滿足人們生活和工業(yè)用水需求。

2傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的缺點及變頻供水系統(tǒng)的優(yōu)點

2.1傳統(tǒng)恒壓供水系統(tǒng)的缺點

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活和工業(yè)水平正向著高質(zhì)量和現(xiàn)代化方向發(fā)展，再加上高層建筑的大量增加，在居民和工業(yè)用水的恒壓供水體系中，傳統(tǒng)的水塔或高位水箱供水方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的用水需求，而且這些傳統(tǒng)的供水體系由于占地面積和投資過大，維護(hù)不便等缺點，使得日常供水難以實現(xiàn)實時性，造成能量的嚴(yán)重浪費[10]。目前，我國大部分仍然使用那種以電機(jī)來拖動水泵以恒定轉(zhuǎn)速運行的方式， 通過調(diào)節(jié)閥上供水管中的水需求量調(diào)節(jié)水的供應(yīng)。該方式的供水有以下缺點[11]：

(1)電能源浪費。在一天的不同時間，生活用水的需求變化是相當(dāng)大的。如果在低水峰時的電機(jī)運作仍然和水高峰時的恒定轉(zhuǎn)速相同，則極大地浪費了電能源。

(2)水能源浪費。當(dāng)用水峰值較低時，管網(wǎng)壓力肯定會較大，這樣就會導(dǎo)致公廁用水或是管道泄漏時造成嚴(yán)重的水資源浪費。

(3)易出現(xiàn)斷水情況。當(dāng)用水峰值較高時，由于管道流量一下暴增，導(dǎo)致水管道壓力不夠，導(dǎo)致高層居民由于水壓不足而出現(xiàn)斷水現(xiàn)象。

2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點

變頻恒壓供水系統(tǒng)是為了更好的得到有效節(jié)能，是通過單片機(jī)處理和控制信號來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的，從而根據(jù)水量需求來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到恒壓供水的上的。該供水系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點[12]：

(1)根據(jù)供水系統(tǒng)水的壓力和流量調(diào)整變頻器和電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成按需供水，降低能源消耗。

(2)無需水塔等其它外圍設(shè)備，控制簡單具有實時性，并能滿足水的需求增加。

(3)當(dāng)建筑高度改變時，只要通過重新設(shè)置變頻器的設(shè)定值就可以，這樣就能夠滿足對水的新需求，而不改變水供應(yīng)系統(tǒng)。

(4)按照系統(tǒng)的出口水壓力和流量來自動識別供給系統(tǒng)的運行狀況，使系統(tǒng)在最合理的狀態(tài)下運行，以節(jié)省能源。

3變頻恒壓供水系統(tǒng)的方案設(shè)計

變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件一般包括變頻器，PLC控制器和壓力傳感器，以水泵機(jī)組、接觸器控制柜等其他組件。主要是通過一臺變頻器驅(qū)動結(jié)合4臺電機(jī)運行的模式，其中4臺電機(jī)可由2個大機(jī)和2臺小機(jī)器組成，通過循環(huán)來使用。利用壓力傳感器進(jìn)行壓力信號取樣操作，變頻器是負(fù)責(zé)馬達(dá)頻率信號輸出端，這兩個信號被反饋給PID模塊，然后通過PLC和PID進(jìn)行邏輯運算，并控制系統(tǒng)設(shè)定值，然后比較結(jié)果，送到微處理器的PLC進(jìn)行運算處理，最終向變頻器提供工作信號，來改變電機(jī)運行速度，達(dá)到供水網(wǎng)絡(luò)的趨于默認(rèn)值，最終達(dá)到恒壓供水的上的[17]。最后，將 PLC與PC電腦連接，隨時由主機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，來了解供水系統(tǒng)的各個方面。供水控制系統(tǒng)可以分為手動運行控制和自動運行控制。

3.1手動運行

當(dāng)自動控制有異常現(xiàn)象出現(xiàn)時，必須轉(zhuǎn)換為手動控制方式。在手動變速器開關(guān)轉(zhuǎn)換操作的待機(jī)狀態(tài)下，按控制系統(tǒng)啟動控制旋鈕，以1#泵電機(jī)開始工作，根據(jù)供水網(wǎng)絡(luò)的壓力變化大小，先把工作泵電機(jī)的速度和臺數(shù)。如果水壓不足，將泵馬達(dá)開關(guān)轉(zhuǎn)為工頻操作，然后變頻轉(zhuǎn)換2#泵，依此類推，直到四臺水泵電機(jī)開始工作[15]。

3.2自動運行

3.2.1控制管網(wǎng)壓力升高

系統(tǒng)的工作原理為，每個泵都有變頻運行狀態(tài)，工頻運行狀態(tài)以及停止運行狀態(tài)三種。當(dāng)控制系統(tǒng)剛開始工作時，管內(nèi)水的壓力是接近零，在變頻恒壓控制系統(tǒng)的控制下，1#泵電機(jī)為變頻運行，運行速度開始上升，供水管網(wǎng)的壓力也開始上升，當(dāng)供水管網(wǎng)壓力上升到預(yù)定值，則該水壓力可以滿足用戶的需求[16]。 1#泵的運行速度處于穩(wěn)定運行。當(dāng)用水量上升時，自來水管網(wǎng)的壓力開始下降時，壓力傳感器檢測到的信號被饋送至控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，讓1#泵運行速度更快。當(dāng)居民減少用水量，自來水管網(wǎng)的壓力開始升高時，壓力傳感器檢測到的信號被饋送至控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，讓1#泵的操作速度變慢。如果水量需求不斷上升，自動使輸出頻率上升到的最高工作頻率—— 工頻，供水網(wǎng)絡(luò)壓力也比設(shè)定值低時，控制系統(tǒng)將自動把1#轉(zhuǎn)變?yōu)楣ゎl運作，并且2#泵電機(jī)變頻開始，直到供水管網(wǎng)壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值。如果用水量不斷增加，輸出頻率繼續(xù)增加，直到輸出頻率達(dá)到工頻，3#泵也開始工作。當(dāng)四臺泵電機(jī)都工作后，供水管的壓力還沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值時，控制系統(tǒng)會發(fā)出警告。

3.2.2控制管網(wǎng)壓力下降

當(dāng)居民減少水的消耗，水的供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)壓力會增加，頻率變化會下降到輸出頻率，當(dāng)壓力仍高于設(shè)定值時，該系統(tǒng)將運行時間最長的頻率泵關(guān)閉，閉環(huán)調(diào)節(jié)水壓將被重置，從而使水的壓力恢復(fù)到設(shè)定值[17]。因此，每個泵由變頻控制開始，所有水泵實現(xiàn)軟啟動周期，也就是說，每臺泵逐漸從最初的最低頻率增加，遵循“先開后啟，后啟先開”的原則[18]。當(dāng)用戶的用水量繼續(xù)下降，變頻器的輸出頻率返回到起始頻率時，將一直持續(xù)到剩下最后一個變頻水泵運行為止。當(dāng)泵速流水接近于零，泵的轉(zhuǎn)速為臨界速度時，工作條件的特征和供水系統(tǒng)的我點，該系統(tǒng)被放置于間歇操作或低容量泵操作[19]。對于恒壓供水系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計過程中，我們必須認(rèn)真深入的分析轉(zhuǎn)換過程，所以它才可以使系統(tǒng)更有序的運行。

4綜述總結(jié)

綜上所述，從以上所總結(jié)的傳統(tǒng)恒壓供水的缺點可以看到，我國目前使用的傳統(tǒng)供水系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前生活和工業(yè)用水的需求，所以我國應(yīng)從傳統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為變頻調(diào)速的恒壓供水體系，這點從筆者總結(jié)的變頻調(diào)速恒壓供水的優(yōu)點可以看出，使用該方式的恒壓供水可以更節(jié)能更高效的滿足居民用水需求，所以筆者建議我國的恒壓供水應(yīng)從傳統(tǒng)恒壓供水方式轉(zhuǎn)變?yōu)樽冾l調(diào)速恒壓供水模式，以此來適用當(dāng)前國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型。

〔參考文獻(xiàn)〕

[1]姚錫祿.變頻器控制技術(shù)與應(yīng)用[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2005.25-45.

[2]王錫仲，蔣志堅，高景峰.變頻優(yōu)化調(diào)壓節(jié)能供水裝置的研制[J].給水排水，2008, (10): 11-13.

[3]張燕賓，胡綱衡，唐瑞球.實用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002, 40-52.

[4]核工業(yè)第二研究設(shè)計院.給水排水設(shè)計手冊[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[5]蔣藝，楊俊生.變頻調(diào)速器在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].山東冶金，2007, 21(5): 49-50.

[6]郁漢琪.基于專家 PID 調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究[J].電氣傳動自動化，1998, l(20): 65-68.

[7]金傳偉，毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010,(9): 38-39.

[8]嚴(yán)盈富，葛衛(wèi)清.恒壓供水系統(tǒng)的控制與仿真[J].南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2004, (03): 22-24.

[9]曾毅.變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與維護(hù)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006, 32-36.

[10]羅鎖玉.“南化”自備水廠變頻改造實現(xiàn)恒壓自動供水[J].電力需求與管理，2006,(2): 43-44.

[11]崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在建筑給水應(yīng)用的理論探討[J].蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報，2000, 19(l): 74-85.

[12]張澤偉，曲鴻章，謝興華.變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2002, 17(4): 27-29.

[13]朱玉堂.變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究開發(fā)及應(yīng)用[D].杭州：浙江大學(xué)，2005,22-45.

[14]劉美俊.變頻器應(yīng)用與維護(hù)技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007, 20-31.

[15]劉法治，王保國，余澤通.PLC 在恒壓供水模糊控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2006, 22(8): 64-66.

[16]劉洪濤.PLC 應(yīng)用開發(fā)從基礎(chǔ)到實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007, 21-42.

[17]趙新華，田一梅，武福平.城市配水系統(tǒng)優(yōu)化運行的研究[J].中國給水排水，1999,8(3): 18-22.

[18]陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998, 40-56.

[19]陳匯龍.水泵運行維護(hù)與泵站管理[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004, 21-45.

Summary of Water Supply System Optimization Study

WANG Li

(Anhui Vocational College of Defense Technology, Liuan 237011)

Abstract:Water is a human world can not live without the substance, with the continuous improvement of living standards and living conditions, poor water supply mode can not meet the current demand for residential water, so the water district construction and reform has become an important issue , while energy-efficient constant pressure water supply technology is the main way to future residential water supply, which has a certain degree of stability and economy, so we should be vigorously promoted. This paper focuses on the advantages of traditional and new constant pressure water supply water supply, design shortcomings and do in-depth reviewed.

Key words:Pressure water supply; Research status; Development Status; Features

中圖分類號：TV674

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-1869(2015)01-0044-04

作者簡介：王麗(1983-)，女，工學(xué)碩士，實驗師，研究方向：電氣自動化控制。

收稿日期：2014-11-24