智能变频恒压供水系统的应用研究

陈远企

（佛山市三水丽日坚美房地产有限公司， 广东 佛山 528100）

引言

随着城市化进程的不断发展，目前城市住宅小区的层高普遍达到20 层以上，对居民用水和供水提出了更高的要求，传统的增压供水的方案，会导致低层住户供水压力过大而高层住户的供水压力不足，特别是当同时用水的住户数量增加时，将极易影响到高层区域住户的用水可靠性。同时传统供水方案的供水能耗较大，无法满足现代化的低能耗、高稳定性供水需求。

经过对多种供水方案分析后，本文提出了一种新的智能变频恒压供水系统，其采用了变频恒压供水方案，利用阶梯控制和模糊PID 控制方式，实现了不同高度区域、不同用户数量情况下的恒压平稳供水。在对该恒压供水系统特性、结构特点进行分析的基础上利用仿真分析软件对其恒压控制效果进行了分析，结果表明该控制系统能够在不同供水情况下将供水压力变化控制在±0.05 MPa 的范围内，显著降低了供水时的压力波动，实现了不同工况下供水的稳定性，同时降低了供水时的噪声和功耗，极大地改善了居民用水体验，具有极大的应用推广价值。

1 恒压供水系统方案

为了满足不同情况下的恒压供水需求，就需要根据系统供水的区域和系统内的水压情况，快速做出分析并确定供水压力调节方案，因此本文所涉及的恒压供水系统以可编程控制器为基础，能够快速确定供水方案并控制变频器输出频率，对供水水泵的电机转速进行快速调节，实现对管网供水的闭环控制[1]，在保证供水稳定性的情况下提升供水效率和经济性。

该恒压供水系统整体结构如图1 所示，主要包括了控制模块、检测模块、执行模块及显示模块，各模块之间采用模块化的接口设计[2]，能够快速进行模块更换和拓展，满足不同情况下的使用灵活性需求，提升了该供水系统的应用可靠性[3]。

图1 恒压供水控制系统结构示意图

由图1 可知，该控制系统的核心为PLC 模块，主要通过压力传感器获取供水管网内的水压信号，通过分析获取系统的调节信号，然后向变频器发出调控指令，控制变频器改变运行频率，对水泵机组的运行情况进行调整，使其满足不同情况下的恒压供水需求。

在常规的供水系统内，其供水系统主要由3 组水泵构成，其中一组处于变频运行模式，二组处于定频运行或者停机模式，各水泵的具体运行状态由系统的PLC 决定，通过不同的组合模式来满足不同情况下的供水稳定性要求。

2 恒压供水原理

该智能变频恒压供水控制系统的核心，是要在满足供水连续性的情况下提升供水的稳定性，因此所制定的恒压供水控制逻辑如下页图2 所示[4-5]，图中P实表示实际监测到的供水压力，P设表示系统设定的供水压力。

由图2 可知，系统在初始运行时刻，首先默认开启第一个供水电机，同时对系统内的供水压力进行检查，当实际的压力小于系统预先设定的供水压力时，系统的控制程序继续对供水电机的运行转速进行调整，直到调整的输出频率达到50 Hz，若此时管路系统压力仍未达到设定值，则控制1 号电机经过2 s 的延时后将其由变频模式切换到工频运行模式。然后系统在启动2 号驱动电机，按相同的阶梯调速和模糊PID调速模式[6]对2 号电机的转速进行调整，当达到最大输出频率后若系统仍未达到设定的供水压力，则将其切换到工频模式，然后启动3 号电机。若在1 号电机采用变频控制期间系统达到了设定压力，则系统维持在该频率下运行，确保供水的稳定性。

图2 恒压供水逻辑示意图

3 恒压控制仿真分析

为了验证该恒压控制系统的应用可靠性，利用STEP7 系统建立该恒压控制仿真模型[7]，设定仿真分析时的增益量为0.1，积分时间常数设置为2 s，系统的仿真采样周期为200 ms，仿真分析时的系统设定压力为6 MPa，在仿真分析时按3 步进行，第一步设置1号机组在变频工况下运行，2 号和3 号机组不运行。第二步设置1 号机组在工频下运行，2 号机组在变频工况下运行，3 号机组不运行。第三步设置1 号机组和2 号机组在工频下运行，3 号机组在变频工况下运行。当达到系统的设定压力后，每隔5 s 给系统一个激励信号，模拟不同楼层、不同数量的供水点情况，该仿真分析结果如图3 所示。

图3 仿真分析示意图

由仿真分析结果可知，当管路系统保持在6 MPa后，系统能够保持压力的稳定，当出现用水增大或者减少而导致管路内压力波动时，系统能够在1 s 内完成压力的闭环反馈调节，使在正常供水状态下的压力波动在±0.05 MPa 范围内，显著提升了供水系统的供水稳定性和可靠性。

4 结论

1）恒压供水系统，以可编程控制器为基础，能够快速确定供水方案并控制变频器输出频率，实现对管网供水的闭环控制，提高不同工况下供水的稳定性和可靠性。

2）该恒压供水系统采用了模块化布局结构，各模块之间采用模块化的接口设计，能够快速进行模块更换和拓展，具有很高的应用灵活性；

3）系统能够在1 s 内完成压力的闭环反馈调节，使在正常供水状态下的压力波动在±0.05 MPa 范围内，极大地提升了系统的供水稳定性和可靠性。