智能變頻恒壓供水系統的應用研究

陳遠企

（佛山市三水麗日堅美房地產有限公司， 廣東 佛山 528100）

引言

隨著城市化進程的不斷發展，目前城市住宅小區的層高普遍達到20 層以上，對居民用水和供水提出了更高的要求，傳統的增壓供水的方案，會導致低層住戶供水壓力過大而高層住戶的供水壓力不足，特別是當同時用水的住戶數量增加時，將極易影響到高層區域住戶的用水可靠性。同時傳統供水方案的供水能耗較大，無法滿足現代化的低能耗、高穩定性供水需求。

經過對多種供水方案分析后，本文提出了一種新的智能變頻恒壓供水系統，其采用了變頻恒壓供水方案，利用階梯控制和模糊PID 控制方式，實現了不同高度區域、不同用戶數量情況下的恒壓平穩供水。在對該恒壓供水系統特性、結構特點進行分析的基礎上利用仿真分析軟件對其恒壓控制效果進行了分析，結果表明該控制系統能夠在不同供水情況下將供水壓力變化控制在±0.05 MPa 的范圍內，顯著降低了供水時的壓力波動，實現了不同工況下供水的穩定性，同時降低了供水時的噪聲和功耗，極大地改善了居民用水體驗，具有極大的應用推廣價值。

1 恒壓供水系統方案

為了滿足不同情況下的恒壓供水需求，就需要根據系統供水的區域和系統內的水壓情況，快速做出分析并確定供水壓力調節方案，因此本文所涉及的恒壓供水系統以可編程控制器為基礎，能夠快速確定供水方案并控制變頻器輸出頻率，對供水水泵的電機轉速進行快速調節，實現對管網供水的閉環控制[1]，在保證供水穩定性的情況下提升供水效率和經濟性。

該恒壓供水系統整體結構如圖1 所示，主要包括了控制模塊、檢測模塊、執行模塊及顯示模塊，各模塊之間采用模塊化的接口設計[2]，能夠快速進行模塊更換和拓展，滿足不同情況下的使用靈活性需求，提升了該供水系統的應用可靠性[3]。

圖1 恒壓供水控制系統結構示意圖

由圖1 可知，該控制系統的核心為PLC 模塊，主要通過壓力傳感器獲取供水管網內的水壓信號，通過分析獲取系統的調節信號，然后向變頻器發出調控指令，控制變頻器改變運行頻率，對水泵機組的運行情況進行調整，使其滿足不同情況下的恒壓供水需求。

在常規的供水系統內，其供水系統主要由3 組水泵構成，其中一組處于變頻運行模式，二組處于定頻運行或者停機模式，各水泵的具體運行狀態由系統的PLC 決定，通過不同的組合模式來滿足不同情況下的供水穩定性要求。

2 恒壓供水原理

該智能變頻恒壓供水控制系統的核心，是要在滿足供水連續性的情況下提升供水的穩定性，因此所制定的恒壓供水控制邏輯如下頁圖2 所示[4-5]，圖中P實表示實際監測到的供水壓力，P設表示系統設定的供水壓力。

由圖2 可知，系統在初始運行時刻，首先默認開啟第一個供水電機，同時對系統內的供水壓力進行檢查，當實際的壓力小于系統預先設定的供水壓力時，系統的控制程序繼續對供水電機的運行轉速進行調整，直到調整的輸出頻率達到50 Hz，若此時管路系統壓力仍未達到設定值，則控制1 號電機經過2 s 的延時后將其由變頻模式切換到工頻運行模式。然后系統在啟動2 號驅動電機，按相同的階梯調速和模糊PID調速模式[6]對2 號電機的轉速進行調整，當達到最大輸出頻率后若系統仍未達到設定的供水壓力，則將其切換到工頻模式，然后啟動3 號電機。若在1 號電機采用變頻控制期間系統達到了設定壓力，則系統維持在該頻率下運行，確保供水的穩定性。

圖2 恒壓供水邏輯示意圖

3 恒壓控制仿真分析

為了驗證該恒壓控制系統的應用可靠性，利用STEP7 系統建立該恒壓控制仿真模型[7]，設定仿真分析時的增益量為0.1，積分時間常數設置為2 s，系統的仿真采樣周期為200 ms，仿真分析時的系統設定壓力為6 MPa，在仿真分析時按3 步進行，第一步設置1號機組在變頻工況下運行，2 號和3 號機組不運行。第二步設置1 號機組在工頻下運行，2 號機組在變頻工況下運行，3 號機組不運行。第三步設置1 號機組和2 號機組在工頻下運行，3 號機組在變頻工況下運行。當達到系統的設定壓力后，每隔5 s 給系統一個激勵信號，模擬不同樓層、不同數量的供水點情況，該仿真分析結果如圖3 所示。

圖3 仿真分析示意圖

由仿真分析結果可知，當管路系統保持在6 MPa后，系統能夠保持壓力的穩定，當出現用水增大或者減少而導致管路內壓力波動時，系統能夠在1 s 內完成壓力的閉環反饋調節，使在正常供水狀態下的壓力波動在±0.05 MPa 范圍內，顯著提升了供水系統的供水穩定性和可靠性。

4 結論

1）恒壓供水系統，以可編程控制器為基礎，能夠快速確定供水方案并控制變頻器輸出頻率，實現對管網供水的閉環控制，提高不同工況下供水的穩定性和可靠性。

2）該恒壓供水系統采用了模塊化布局結構，各模塊之間采用模塊化的接口設計，能夠快速進行模塊更換和拓展，具有很高的應用靈活性；

3）系統能夠在1 s 內完成壓力的閉環反饋調節，使在正常供水狀態下的壓力波動在±0.05 MPa 范圍內，極大地提升了系統的供水穩定性和可靠性。