变频恒压供水技术【文献综述】

2 变频恒压供水系统
长期以来传统的区域、楼宇供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。在这种供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运wenku.baidu.com方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题[1]。
（1) 供水系统的基本特性和工作点扬程特性:是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，全扬程与流量间的关系的曲线H1=f(QG)，称为扬程特性曲线。
（2）管阻特性：以水泵的转速不变为前提，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qu)，称为管阻特性曲线，不同阀门开度，管阻特性曲线不同。
（3) 供水系统的工作点:扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，在这一点上，供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。
（1）比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
文献综述
电气工程及自动化
变频恒压供水技术
摘要：变频恒压供水技术在供水行业中广泛应用，本文介绍了其原理构成，PID控制系统，PLC技术、变频器的构成和选型，通过文献资料全面了解了变频恒压供水技术的实施过程，以此为构建楼宇恒压供水控制系统积累足够的理论基础和数据收集。
关键词：PID;变频器；PLC
1前言
(2)转速控制法：阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。由水泵的相似定律又称为比例定律可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著, 这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面[4]。
随着我国社会经济的发展，对水、电、消防、智能化等基础供应配套要求也越来越高。恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，恒压供水对水泵、电机也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定可靠延长了设备的使用寿命。
（4) 供水功率:供水系统向用户供水时所消耗的功率P (KW)称为供水功率。
供水系统的控制，流量是供水系统的基本控制对象。当用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。
(1）阀门控制法：转速保持不变，通过关小或开大阀门不调节流量，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用[8]。
（3）在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性[7]。
鉴于此，集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体的PLC变频恒压供水系统得到了广泛的关注。该系统通过调节电动机的转速和泵数来适应水量和水压的变化，使水泵始终工作在高效区并保证供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在资源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业经济效益、人民的生活水平以及降低能耗等方面具有重要的现实意义。
2.1 变频恒压供水系统的原理
变频恒压供水系统以3台水泵变频恒压运行，以变频器、可编程序控制器（PLC）作为系统控制的核心部件，以设定压力为控制目标，以PID为控制算法，和变频器组成恒压闭环控制系统。系统时刻跟踪管网压力与压力设定值的偏差变化情况，经变频器内部进行PID运算，由PLC控制变频与工频切换，自动控制水泵投入台数和电机转速，实现闭环自动调整恒压供水[3]。
从目前的供水行业调查结果表明，变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电率很高，几年能将因设计冗余和用量变化而浪费的电能全部节省下来，又由于其具有调速精度高，功率因数高等特点，使用它可以提高出水质量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪声，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求[2]。因此将 PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求。
2.2 PID控制原理
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节[5]。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术[6]。
2.3 变频器原理及选型