淺談水泵恒壓供水控制技術

王小龍

（寧波寶新不銹鋼有限公司設備部，浙江寧波 315807）

0 引言

寶新不銹鋼公司的自來水加壓泵站是把站內水池儲存的城市自來水用供水泵加壓向管道供水，各用戶點從供水管道上取水。各用戶點不僅有生活用水，也有生產用水，所以對供水壓力有一定要求。

1 設備狀況

自來水加壓泵站共有4 臺供水泵：2 臺供水泵揚程為40 m、功率為18.5 kW、流量為100 m3/h，另2 臺水泵揚程為40 m、功率為11 kW、流量為50.4 m3/h。自來水水池容積為432 m3。站房要求供水壓力0.35 MPa，供水最大流量200 m3/h。

自來水加壓泵站的供水對象包括：①生產機組。設備冷卻用水，用水量60 m3/h，無規律；②生活用水。包括食堂、浴室、廁所。食堂用水主要集中在每天9：00～11：00，15：00～17：00，21：00～23：00，用水量為60 m3/h；浴室用水主要集中每天下班前的14：30～15：30，16：00～17：00，22：30～23：30，6：00～7：00，用水量為80 m3/h。

站房電氣主回路如圖1，控制邏輯：每臺供水泵既可變頻器控制，也可工頻控制，具體控制方式由PLC 通過反饋的水壓大小來判斷。

圖1 站房電氣主回路

2 工作原理

站房4 臺供水泵可以工頻運行，也可以變頻器控制，由PLC控制4 臺泵的運行，控制功能圖（圖2）。

在自動模式下，PLC 對比設定供水壓力與實際供水壓力，通過變頻器啟動第一臺供水泵；當供水泵達到全速運行后，如果供水壓力仍達不到設定壓力值時，PLC 會自動將該供水泵由變頻運行切換到工頻運行，然后由變頻器自動啟動第二臺供水泵；當供水壓力偏高且變頻器處于設定的下限頻率運行時，第一臺工頻運行的供水泵電機將自動停機；如果供水壓力再次達不到設定壓力值時，PLC 會自動將變頻運行的供水泵切換至工頻運行，然后再次變頻啟動另外一臺處于變頻狀態的備用泵；以此順序運行，直到出口壓力達到設定的要求值。

圖2 控制功能圖

在手動模式下，根據壓力現場手動啟動單臺供水泵，并且可以設定是由工頻啟動還是由變頻啟動。

3 供水問題

自來水加壓泵站為1#和2#食堂、1#和2#浴室、1#和2#辦公樓提供生活用水，為3#酸洗機組提供生產用水。站房供水壓力設定值為0.35 MPa，供水泵由變頻器控制直接供應用戶，由于用水點多，用水時間無規律，供水量很不均勻，供水流量曲線呈現從（0～110）m3/h 不等的鋸齒波狀。為保證供水壓力，供水泵開啟臺數較多，供水壓力長期達到0.44 MPa（圖3），能量浪費嚴重。

供水壓力≤0.38 MPa 時，運行1 臺水泵；水壓達到0.45 MPa 左右時，運行2 臺水泵，使供水管道長期達到高水壓，也是一種能源浪費。

圖3 改造前供水流量及供水壓力曲線

4 原因分析

用戶使用量為（0～110）m3/h，1 臺水泵流量為100 m3/h，現在站房經常自動開啟2 臺水泵，額定流量為150 m3/h 或200 m3/h，致使供水壓力長期達到0.44 MPa，超過設定0.09 MPa，對供水管道是一種損害。

分析變頻器的工作模式，站房變頻器使用西門子公司產品（MICROMASTER 430），控制方式為帶拋物線特性的（平方特性）的V/f 控制（P1300=2），此控制模式的經驗曲線為向下的拋物線（圖4）。

圖4 控制模式曲線

當用水量增大、供水管道壓力減小時，變頻器開始升頻，開始時水泵的轉速不但不增大，反而有所減小，對外表現的現象是升速響應慢。壓力不夠時，馬上再啟動一臺水泵。

變頻器的主要參數：

P1300=2

變頻器控制方式選擇為帶拋物線特性（平方特性）的V/f 控制

P1310=50 連續提升值為50

P0304=380 V 電動機額定電壓

P1316=16 提升結束點的頻率

P0310=50 電動機額定頻率

P1080=35 最低頻率

P1082=50 最高頻率

5 改進措施

為讓變頻器隨供水管道水壓變化的響應時間加快，供水管道水壓緊盯變頻器設定壓力0.35 MPa，改變變頻器的控制模式，使變頻器由原來帶拋物線特性（平方特性）的V/f控制改為采用PID 控制方式。

根據生產用戶要求，把設定的控制壓力設定為0.35 MPa，通過調節PID 參數使站房出口壓力維持在設定壓力附近（圖5）。

圖5 壓縮空氣壓力PID 曲線

通過控制PID 的參數：增益Δ，積分時間T1和微分時間T2，使實際水壓實時響應緊跟設定值，達到無論外界用水量怎樣變化，始終保持水壓值穩定（圖6）。

變頻器的主要參數：

P2253＝2250 已激活的PID 設定值

P2240＝35%

P2280＝3 PID 比例增益系數

P2285＝5 s PID 積分時間

P2291＝100 PID 輸出上限

P2292＝60 PID 輸出下限

r2294 實際的PID 輸出

r752 是反饋信號輸入值，壓力數據通過r0752可以讀取顯示；r2266 壓力數據讀取顯示,

P2264＝755.0 模擬量輸入1 設定值,壓力信號直接接入3 端＋和4 端－（755.1 為模擬量輸入2，接入10 端＋和11 端－）

6 效果

6.1 供水曲線如圖7

6.2 經濟效益

圖6 PID 功能參數圖

圖7 改造后供水流量及供水壓力曲線

變頻器參數改造前，自來水加壓泵站經常運行2 臺泵（1 臺工頻＋1 臺變頻）；變頻器參數改造后，自來水加壓泵站只運行1 臺泵（變頻）就可以滿足需要。

經統計改造前2 個月內的耗電量為43 199kW·h，每小時消耗電能＝43199÷60÷24＝29.999 度≈30.0 kW·h；

改造后2 個月內的耗電量為8044kW·h，每小時消耗電能＝8044÷60÷24＝5.586 度≈5.6 kW·h。即實施前每小時耗電量30.0 kW·h，實施后每小時耗電量5.6 kW·h。

公司每度電平均電價0.7 元/kW·h，年直接經濟效益＝（實施前每小時耗電量－實施后每小時耗電量）×24 h×365 天×公司每度電平均電價－開發費用＝（30.0－5.6）×24×365×0.7＝14.9 萬元

7 供水安全

自來水加壓泵站的控制思想如下：取供水管道的壓力信號P（如圖8），通過壓力控制器設定供水壓力值（設定值為0.35 MPa），傳輸給PLC，由PLC 送信號給變頻器，變頻器采用PID 控制模式，控制1#水泵的運行。由于用水點多，用水時間無規律，供水量很不均勻，供水流量曲線呈現從（0～110）m3/h 不等的鋸齒波狀波動。特別是員工下班洗澡的高峰時間，浴室的用水量增加很多，會使站房供水壓力降到0.28 MPa 以下約60 min；而且夏季發生雷擊時，由于PLC 或變頻器的自身保護，PLC 或變頻器會發生停運現象，將使自來水加壓泵站停止供水，導致機組停機。

當自來水使用量波動大和PLC 或變頻器故障時，為增強自來水加壓泵站對外供水壓力的安全穩定性，單獨增加1 路獨立的電氣控制線路（如圖9）：

圖8 改造前供水管道的壓力信號控制圖

圖9 改造后供水管道的壓力信號控制圖

在壓力控制器上設置低水壓報警點（0.28 MPa），當低水壓報警時，輸出1 個信號，不經過PLC 和變頻器，直接自動控制另一臺水泵(如2#泵)的起動，而此水泵的停運需要人工確認。

實施后效果：

（1）當外界使用量大而供水壓力比較低時，自動開啟另一臺水泵。

（2）當變頻器或PLC 出現故障時，自動開啟另一臺水泵。

8 初次變頻器的安裝及參數設置

變頻器（型號：MICROMASTER 430）的壓力輸入信號為二線制（4～20）mA（如圖10），變頻器電氣主回路連接的是三相異步電動機，

變頻器外部信號接線圖及各外部端子的接法：

18#端子左邊的AN1、AN2 撥碼開關拔到ON，表示輸入的信號為（0～20 ）mA 的模擬量信號；

9#端子＝24 V，28#端子＝0 V 28#端子與11#端子短接；

水泵壓力信號接入3#端子＋和4#端子－（參數設置P2264＝755.0 輸入為1 時）；水泵壓力信號接入10#端子＋和11#端子－（參數設置P2264＝755.1 輸入為2 時）。

圖10 變頻器外接線圖

5#端子連接“接通正轉/停車命令”（參數設置P0701＝1）

6#端子連接“固定頻率設定值(直接選擇)”（參數設置P0702＝15）

7#端子連接“故障確認”

26#端子連接“變頻器故障”（參數設置P0731＝52.3）

27#端子連接“變頻器報警”（參數設置P0732＝52.7）

28#端子連接“變頻器故障”（參數設置P0733＝52.3）

9 參數設置

PID 控制功能圖（圖11）

圖11 PID 控制功能圖

遵照PID 的原理控制圖，其參數如下：

P0700＝2 由端子排輸入

P0701＝1

ON/OFF1（接通正轉/停車命令1）變頻器外部輸入端子5

P0702＝15

固定頻率設定值（直接選擇）變頻器外部輸入端子6

P0703＝9 故障確認 變頻器外部輸入端子7

P0731＝52.3 變頻器故障 變頻器外部輸出端子26

P0732＝52.7 變頻器報警 變頻器外部輸出端子27

P0733＝52.3 變頻器故障 變頻器外部輸出端子28

P756＝2 選擇（0-20）mA 輸入

P757＝4 最小值4 mA

P759＝20 最大值20 mA

P761＝4 死區為4 mA

P1000＝1 頻率設定的選擇 即為面板

P2200＝1 允許PID 進行閉環控制

P2231＝1 PID 設定值的保存

P2240＝35%

PID-MOP 面板的設定值，允許用戶以［%］值的形式 設定的PID 設定值 表示3.5 kg 壓力

P2253＝2250 已激活的PID 設定值

P2257＝2S 加速時間

P2258＝2S 減速時間

P2264＝755.0

模擬量輸入1 設定值,壓力信號直接接入3 端＋和4 端－（755.1 為模擬量輸入2，接入10 端＋和11 端－）

P2280＝3 PID 比例增益系數

P2285＝5 s PID 積分時間

P2271＝0 反饋信號加大,電機減速,恒壓供水

P0757［2］＝4 標定ADC 的x1 值［V/mA］

P075［2］＝0 標定ADC 的y1 值（表示4 mA 對應的壓力占壓力表量程的百分比）

P0759［2］＝20

標定ADC 的x2 值［V/mA］

P0760［2］＝100

標定ADC 的y2 值（表示20 mA 對應的壓力占壓力表量程的百分比）

P2265＝0.1 PID 反饋濾波時間常數

P2269＝100

PID 反饋信號的增益

P2267＝100

PID 反饋信號的上限值

P2268＝0

PID 反饋信號的下限值

P2291＝100 PID 輸出上限

P2292＝60 PID 輸出下限

P2293＝3 PID 限幅值的斜坡上升/下降時間

以下為選用參數：

r752 是反饋信號輸入值，壓力數據通過r0752 可以讀取顯示；r2266 壓力數據讀取顯示,

r2272 PID 反饋值讀取顯示，用戶以[%]值的形式顯示,如果沒有或0，可能是輸入信號有問題，檢查輸入信號。

r2262 顯示PID 設定值，允許用戶以[%]值的形式顯示

r2294 CO:實際的PID 輸出

P2264＝755.0 如果模擬量輸入是1 即3+4-設定值為P2264＝755.0

P2269 PID 反饋信號增益，默認值為100%，注意要看P2272 是多少；如果P2272≤10，建議用10%，那么P2240 的設定值為如上的35%。否則P2272 如果≤10，默認值為100%，那么P2240 的設定值也是對應的為≤10。

10 推廣

隨著變頻器和PLC 技術的飛速發展，其應用面廣、功能強大、使用方便的特點，使其成為當代工業自動化的主要裝置之一，在工業生產領域得和民用和家庭自動化的應用得到迅速的發展。

由于變頻調速技術和可編程程序控制器的應用靈活方便，在恒壓供水系統中亦得到廣泛的應用。采用PLC 作為中心控制單元，利用變頻器與PID 結合，根據系統狀態可快速調整供水系統的工作壓力，達到恒壓供水的目的，提高系統的工作穩定性，得到良好的控制效果以及明顯的節能效果。

11 結束語

該系統采用PLC 和變頻器結合，系統運行穩定安全可靠，實現真正意義上的無人職守，保證各水泵運行效率的最優，消除了啟動大電流沖擊，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時閥門的水錘效應。該控制系統可以是大型公共社區如高校、居民小區等處的性能、價格比較高的優選方案。