1.恒压供水相关知识
（1）变频器在供水系统的节能应用
城市自来水管网的水压一般规定保证6层以下楼房的用水，其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用水塔、高位水箱或气压罐增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和耗能。
恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机转速和控制水泵电动机的投运台数，从而达到给水总管压力稳定在设定压力值上。
图10-44 触摸屏监视画面图
图10-45 水泵的流量调节
（2）恒压供水的控制目的
对供水系统的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡情况有关。
当供水能力Qg＞用水需求Qu，则压力上升（p↑）；
当供水能力Qg＜用水需求Qu，则压力下降（p↓）；
当供水能力Qg=用水需求Qu，则压力不变（p=常数）。
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。因此，压力就成为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。
（3）水泵调速节能原理
1）水泵的扬程特性：在水泵的轴功率一定的前提下，扬程H与流量Q之间的关系H=f（Q），称为扬程特性。其曲线如图10-45中的曲线2和曲线4所示。曲线2为水泵转速较高的情况，曲线4为水泵转速降低的情况。
2）管路的阻力特性：装置的扬程HC与管路的流量Q的关系HC=f（Q），称为管路的阻力特性。其曲线如图10-45的曲线1和曲线3所示。曲线1为开大管路阀门管阻较小的情况，曲线3为关小管路阀门管阻较大的情况。
3）调节流量的方法
如果图10-45中曲线1表示阀门全部打开时，供水系统的阻力特性；曲线2是水泵额定转速时的扬程特性。这时供水系统工作在A点：流量为QA，扬程为HA。电动机的轴功率与面积OQAAHA成正比。要将供水流量调整为QB，有两种方法：
①转速不变，将阀门关小。
工作点移至B点，流量为QB，扬程为HB。电动机的轴功率与面积OQBBHB成正比。
②阀门的开度不变，降低转速。
阀门的开度不变，降低转速后扬程特性曲线如图10-45中的曲线4所示，工作点移至C点，流量仍为QB，扬程为HC。电动机的轴功率与面积OQBCHC成正比。
将上述两种方法加以对比，可明显地看出，采用调节转速的方法来调节流量，电动机所取用的功率将大为减少。
（4）变频调速恒压供水系统的组成
变频调速恒压供水系统的组成如图10-46所示。
图10-46 变频调速恒压供水系统的组成框图
由图10-46可知，变频器有两个控制信号：
1）目标信号Xt：即给定端VRF上得到的信号，该信号是一个与压力的控制目标相对应的值，通常用百分数表示。目标信号也可由键盘直接给定，而不必通过外接电路给定。
2）反馈信号Xf：是压力变送器BP反馈回来的信号，该信号是一个反映实际压力的信号。
为保证供水流量需求，管网通常采用多台水泵联合供水。为节约设备投资，往往只用一台变频器控制多台水泵协调工作。因此现在的供水专用变频器几乎都是将普通变频器与PID调节器以及PLC控制器集成在一起，组成供水管控一体化系统，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。也可设定指定日供水压力。面板可以直接显示压力反馈值（MPa）。
（5）检测设备
1）压力变送器：压力变送器输出信号是随压力而变的电压或电流信号。当距离较远时，应取电流信号以消除因线路压降引起的误差。通常取4～20mA，以利于区别零信号和无信号（零信号：信号系统工作正常，信号值为零；无信号：信号系统因断路或未工作而没有信号）压力变送器一般选取在离水泵出水口较远的地方，否则容易引起系统振荡。
2）远传压力表：远传压力表的基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器滑动触点的装置。因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。使用时可将远传压力表与变频器直接连接。
（6）系统的工作过程
图中，Xt和Xf两者是相减的，其合成信号Xd=Xt－Xf经过PID调节处理后得到频率给定控制信号，决定变频器的输出频率fx。
当用水流量减少时，供水能力Qg﹥用水流量Qu，则供水压力上升，Xf↑→合成信号（Xt–Xf）↓→变频器输出频率fx↓→电动机转速nx↓→供水能力Qg↓→直至压力大小回复到目标值，供水能力与用水流量重新平衡（Qg=Qu）时为止；反之，当用水量增加Qg＜Qu时，则，Xf↓→（Xt–Xf）↑→fx↑→nx↑→Qg↑→Qg=Qu，又达到新的平衡。
图10-47 两台水泵供水时顺序运行过程
如果管网系统采用多台水泵供水，变频器可控制其顺序循环运行，并且可以实现所有水泵电动机变频软起动。现以两台水泵为例，说明系统按Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ→Ⅰ顺序运行过程，如图10-47所示。
开始时假设系统用水量不多，只有1＃泵在变频运行，2＃泵停止，系统处于状态Ⅰ；当用水量增加，变频器频率随之增加，1＃泵电动机转速增加，当频率增加到50Hz最高速运行时，意味着只有一台水泵工作满足不了用户用水量的需要，这时变频器就控制1＃泵电动机从变频电源切换到工频电源，而变频器起动2＃泵电动机，系统处于状态Ⅱ；在这之后若用水量减少时，变频器频率下降，若降到设定的下限频率时，即表明一台水泵即可满足用户而需要，此时在变频器的控制下，1＃工频运行的水泵电动机停机，2＃泵电动机变频运行，系统过渡到状态Ⅲ；当用水量又增加，变频器频率达到50Hz时，系统过渡到状态Ⅳ；系统处于状态Ⅳ时，若用水量又减小，变频器频率下降到设定下限频率时，系统又从Ⅳ过渡到Ⅰ，如此循环往复。(www.xing528.com)
（7）经济效益分析
从流体力学原理知道，水泵供水流量与电动机转速及电动机功率有如下关系：
上三式中，Q为供水流量，H为扬程，P为电动机轴功率，n为电动机转速。
假定设计系统共有2台7.5kW的水泵电机，假设按每天运行16h，其中4h为额定转速运行，其余12小时为80％额定转速运行，一年365天节约电能为
W=7.5kW×12h/天×［1－（80/100）3］×365天=16031kW·h
若每1kW·h电价为0.60元，一年可节约电费为
（0.60×16031）元=9618.6元
可见，对传统供水系统进行改造，按现在的市场价格，一年即可收回投资。以后多年运行经济效益十分可观。
传统供水系统采用变频调速后，彻底取代了高位水箱、水池、水塔和气压罐供水等传统的供水方式，消除水质的二次污染，提高了供水质量，而且具有节省能源、操作方便、自动化程度高等优点；其次，供水调峰能力明显提高；同时大大减少了开泵、切换和停泵次数，减少对设备的冲击，延长使用寿命。与其他供水系统相比，节能效果达20％～40％。该系统可根据用户需要任意设定供水压力及供水时间，无需专人值守，故障自动诊断报警。由于无需高位水箱、压力罐，节约了大量钢材及其他建筑材料，大大降低了投资。该系统既可用于生产、生活用水，亦可用于热水供应，恒压喷淋等系统。因此这一设计具有广阔的应用前景。
2.设计控制要求
设计一恒压供水控制系统，要求如下：
1）设计两台水泵分别由M1、M2电动机拖动，按要求一台运行，一台备用，自动运行时泵运行累计100h轮换一次，手动时不切换；
2）切换后启动和停电后的启动前有5s报警，运行异常可自动切换到备用泵，并报警；
3）程序要要求采用PLC的PID调节指令；
4）用触摸屏显示设定水压、实际水压、水泵的运行时间、转速、报警信号等；水压在0～6kg可调，用三菱F940触摸屏输入调节；
5）变频器（使用三菱FR-A740）采用PLC的特殊功能单元FXON-3A的模拟输出，调节电动机的转速；电动机额定转速为2880r/min，由KM1、KM2控制；
6）变频器的其余参数自行设定。
3.操作技能指引
1）变频器参数设置。
Pr.1=50Hz，Pr.2=30Hz，Pr.3=50Hz，Pr.7=3s，Pr.8=3s，Pr.13=10Hz，
Pr.73=0，Pr.79=2。
2）按控制要求进行I/O分配，分配触摸屏和PLC通信数据单元，见表10-18。
表10-18 I/O分配、触摸屏和PLC通信数据单元
3）触摸屏控制画面设计。制作的参考画面如图10-48所示。
4）根据要求设计控制系统接线图如图10-49所示
图10-48 触摸屏控制画面
图10-49 控制系统接线图
5）根据控制要求，编制PLC程序如图10-50所示。
图10-50 参考程序图
图10-50 参考程序图（续）
6）系统调试。
①将PLC运行开关保持ON，设定水压调整为3kg/cm2。
②按手动起动按钮，设备应正常起动，观察各设备运行是否正常，变频器输出频率是否相对平衡，实际水压与设定值是否存在偏差。
③如果水压在设定值上下有剧烈的抖动，则应该调节PID指令的微分参数，将值设定小一些，同时适当增加积分参数值。如果调整过于缓慢，水压的上下偏差很大，则系统比例常数太大，应适当减小。
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