一種新型高層恒壓智能供水系統研究

唐 亮，陸明剛，施銀中

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海200072)

0 引 言

近年來，隨著人民生活水平不斷提高，人們對供水系統的可靠性與供水質量提出了更高的要求，然而在目前城市系統供水中存在的不合理因素較多，如系統自動化調節程度不高，可靠性較差，設備維護不便等，無法較好地保障供水質量，供水系統設計或運行不合理也時常發生水資源浪費，管網漏損等現象［1］。由于目前常規恒壓供水系統的壓力設定值是根據高層建筑的實際高度加以設定的，對實際應用中實時水的流量變化對控制系統的影響沒有加以考慮。為此，本文提出實時恒壓供水系統在滿足高層建筑用水的情況下，其目標恒壓設定值可以根據自來水實時流量與預先設定的流量值的比較，通過結合模糊PID 控制算法的ARM7LPC-2119 微控制器進行微調，以達到在供水系統穩定前提下進一步降低供水系統能耗的目的。

1 系統工作原理

本系統通過水泵出口端的壓力傳感器測得壓力值，通過A/D 轉換為數字量輸入到控制器的輸入模塊，通過ARM 控制器將實時輸入量與目標設定量進行運算比較，在經過控制器內寫入的控制算法處理得到輸出量，并通過D/A 轉換將輸出控制量轉換為模擬量輸入到變頻器，變頻器調節設定頻率控制水泵轉速使實際壓力值趨向目標壓力值，實現閉環控制。由于系統采用多臺水泵運行，控制器需要根據當前反饋壓力與設定壓力的差值選擇是否加泵運行或減泵運行，同時，根據水泵的連續運行時間和水泵循環運行次序進行水泵運行切換。系統結構框圖如下圖1 所示。

圖1 系統結構框圖Fig 1 Block diagram of system structure

2 供水系統模式的能耗分析與選擇

現今，在樓房建筑的供水系統存在多種運行方式:傳統供水運行模式(樓頂水箱，水塔氣壓供水)、節流調節供水模式、恒壓供水模式，因為傳統供水模式基本已不用于高層建筑中，因此，本文主要對節流調節供水模式和恒壓供水模式的能耗進行分析。

2.1 節流調節供水模式

節流調節供水模式主要是通過對供水管道中閥門的開度進行調節，使供水管路的特性曲線發生變化，以改變水泵的工況點，如圖2 所示。H 為水泵的特性曲線，Hy1為管路中閥門全開時的管路特性曲線，Hy2為管路中閥門關閉一定開度后的管路特性曲線。當供水系統所需流量從QB減小為QA時，閥門關閉一定開度。由圖可知，此時供水系統理論所需揚程為HCD，而實際提供揚程則為HAD，這就使揚程HAC沒有得到很好的利用，因此，造成節流調節供水模式并沒有達到節能的效果［2］。

圖2 節流調節供水模式Fig 2 Throttling adjustment water supply mode

2.2 恒壓供水模式

恒壓供水模式指的是通過改變水泵的轉速使水泵的出口水壓保持恒定，若已知某系統的供水管路的特性曲線為Hy1，水壓要求恒定于水平線H恒，水泵在額定轉速下的特性曲線為H1，該水泵運行性能曲線如圖3 所示。Hy1與H1交點B 即為水泵額定工況點，QB為額定流量。當管路所需流量為QA(QB＞QA)時，因為壓力需要保持恒定，此時水泵工況點調整為 A 點。根據水泵相似理論格式 H=KQ2［3，4］，得到過A 點的相似曲線SA，因為供水管路沒有改變，即管路揚程損失不變，根據水泵相似理論，管路特性曲線變為以Q=0，H=H 為原點的曲線Hy2，過A 點做橫軸垂線交曲線Hy1于C 點，HC為流量QC下管路所需揚程，故HAC為富余揚程。因此，水泵恒壓供水模式也存在能量的浪費［5］。

圖3 恒壓供水模式Fig 3 Constant pressure water supply mode

2.3 兩種模式能耗比較

根據對以上2 種水泵調速運行模式能耗的分析，發現2 種模式下水泵運行都存在能量的浪費。假設某供水管路額定流量QB，管路特性曲線Hy1和水泵額定轉速下特性曲線H1在2 種模式運行中保持不變，將圖2 與圖3 合成如圖4所示，在供水管路流量減小為QA時，節流調節模式下能量浪費為HDC，恒壓供水模式HAC(HDC＞HAC)，因此，采用恒壓供水模式，系統更加節能。

圖4 節流調節與恒壓供水兩種模式Fig 4 Two modes of throttling adjustment and constant pressure water supply

對恒壓供水模式的進一步分析發現，隨著流量的逐步減小，恒壓供水模式下水泵富余揚程不斷增大，根據高層建筑不同時段所需流量差值較大，本文提出在保證正常供水的前提下，根據實時的水量變化調節供水系統的恒壓目標值，以進一步減小系統的能量損耗。因此，若要實現在供水系統不同時段的保障節能運行，需要根據管路所需流量的變化和運行特點確定對應的恒壓值，實施變恒壓值供水，這樣才能保證水泵運行在最佳節能狀態。

3 控制器設計與仿真

由于高層建筑的恒壓供水系統非線性、時變大、比較復雜的特點，而傳統PID 控制雖然具有簡便，設定壓力值易實現的優點，但其不具備良好的動態性能和魯棒性;模糊控制器具有良好的動態性能，且對被控對象是否具有精確數學模型依賴性低的優點，但其缺乏調整的精確性。因此，在PID 控制器的基礎上引入模糊控制，實現在不同區域的分級控制，就能使兩者的優缺點能夠互補，達到更好的控制效果。在誤差較大的時候，采用模糊控制算法提高系統動態性能，使系統壓力值能夠快速接近目標值，減小超調量;在誤差較小時，采用PID 控制算法，使系統壓力值能夠精確達到目標值［6］。

為驗證供水系統模糊PID 控制器的控制效果，系統設定恒壓值為0.8 MPa，仿真時間為120 s，采樣時間為1 ms。根據用水量的波動性，為驗證系統在水量高低峰差異較大情況下的抗擾動的性能，與PID 控制器仿真相同在仿真時間60 s 時，給控制系統輸入一個幅值為0.4 MPa，持續時間為5 s 的負脈沖，用來模擬高層建筑在高峰時刻用水量的突然增加。系統通過Simulink 軟件仿真的結果如圖5 所示。

從仿真結果可以看出:基于模糊PID 控制器的恒壓供水系統調整時間為25 s，超調量為15%，精確達到了系統的目標壓力設定值0.8 MPa，系統有較好的動態性能和靜態性能。

4 實驗驗證與分析

4.1 智能供水控制器實驗平臺與控制效果實驗

圖5 模糊PID 控制器的仿真結果Fig 5 Simulation results of fuzzy PID controller

由于實驗現場環境本身的條件有限，實驗對象為高10 層的建筑，所以，對建筑物設定初始恒壓值為0.57 MPa。實驗平臺采用2 臺水泵構成水泵組進行供水，1 個基于ARM 智能開關控制器，ABB 的中壓變頻器ACS510 一臺和外聯上位機電腦一臺。

由于實驗條件限制設定系統恒壓設定值為0.57 MPa，測試時間開始于上午10 點30 分，測試時間為30 min。為了模擬真實的用水情況，實驗在初始設定水流量為10 L/s，在15 min 后模擬建筑用水的高低峰狀況，設定水流量為25 L/s，持續時間為5 min，實驗的部分測試數據如圖6、圖 7、圖 8 所示。

圖6 水流量10 L/s 時數據Fig 6 Datas of water flow 10 L/s

圖7 水流量增加到25 L/s 時數據Fig 7 Datas of water flow 25 L/s

圖8 水流量返回為10 L/s 時的數據Fig 8 Datas of water flow back to 10 L/s

由實驗數據可以看出:本文設計的控制器按照目標設定的壓力，驅動變頻器調節水泵轉速，實現了對建筑物恒壓、快速、穩定供水的目標。

4.2 智能供水方式和常規恒壓供水方式能耗對比實驗

本文設計的智能供水方式是指根據水泵出水口流量計測得到的流量變化，系統自動搜索數據庫確定新的恒壓設定值和控制器的控制參數，更新系統設定的恒壓值和控制參數，對建筑物實現恒壓供水。常規恒壓供水方式為初始系統壓力設定后，系統運行期間對壓力值不做修改，因此，在實驗時只需關閉恒壓值調節子程序即可。2 種供水模式分別在 5，10，15 L/s 和 20 L/s 流量下各運行 1 h，系統設定的初始恒壓值均為0.57 MPa，系統能耗的對比如圖9 所示。4 h 綜合工況實驗結果顯示:采用智能供水模式要比常規恒壓供水方式節能14.1%，因此，采用智能供水模式將使供水系統能耗降低，達到較好的節能效果。

圖9 智能供水模式與常規恒壓供水模式能耗對比Fig 9 Energy consumption contrast between intelligent water supply mode and conventional constant pressure water supply mode

5 結束語

在滿足高層建筑基本用水的情況下，根據用水量的變化確定實時恒壓目標值，選取模糊PID 控制算法作為供水系統的控制策略，利用以ARM7LPC-2119 微控制器為核心的恒壓智能供水系統，仿真和實驗的數據與結果均證明:該系統具有良好的控制效果和節能性，可以廣泛應用于高層建筑、寫字樓、醫院和工廠恒壓供水系統當中。

［1］ 馬愛卿.高層住宅樓供水方案探析［J］.山西焦煤科技，2006(1):26 －27.

［2］ 湯志彪.基于變頻調速的恒壓供水智能控制系統［J］.煤礦機械，2005(6):93 －95.

［3］ 王福軍.水泵與水泵站［M］.北京:中國農業出版社，2005.

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［5］ 戴寶華，謝建凱.一種變頻調速恒壓供水技術［J］.武漢交通科技大學學報，2000(8):466 －468.

［6］ 黃建新.基于ARM 的小區供水嵌入式智能控制系統［J］.儀表技術，2007(12):30 －31.