由于地理分布、经济条件和相关技术人才的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。大中城市水厂，特别是发达地区大型水厂的自动化程度很高，而小城市和城镇水厂，特别是落后地区小型水厂的自动化程度较低，甚至还是空白。在一些已实现自动化的水厂中，虽然自动化系统和设备与其他行业，如化工、电力等相比并不差，甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。

　　国内实现水厂自动化控制的方法主要是新建和扩建工程。大型水厂建设项目依靠引进外资和全套技术设备，水厂工艺自动化水平高，但设备和控制系统投资很大。中小水厂自动化的设计、工程服务以国内为主，但系统中关键技术和设备仍以引进国外产品为主，在设备选型及工程服务上采取国内与国外相结合的办法。这种办法不但大大降低了水厂在自控系统中的投资，而且实现了工程售后服务的本地化，有利于该行业的长远发展。

　　我国水厂自动化控制系统的发展过程可分为三个阶段：第一阶段是分散控制阶段，该阶段水厂各部分分别进行自动控制，各独立系统互不相关；第二阶段是水厂综合自动化阶段，在该阶段整个水厂作为一个综合自动化控制系统进行生产，同时各个独立子系统又可以独立工作，该系统共享整个水厂的信息，同时又有分散控制的可靠性。现阶段大部分水厂处于此阶段；第三阶段是供水系统的综合自动化阶段，该阶段要求在一个区域的供水企业共享信息，实现整个城市或地区供水系统的自动控制。目前我国的中小型水厂大部分处于第一或第二阶段，只有很少大型水厂达到了第三阶段。在国外，如加拿大、美国等发达国家基本实现了供水系统的全自动化，而且开始进行分质供水，把自来水中生活用水和直接饮用水分开，另设管网，直通住户，实现饮用水和生活用水分质、分流，达到直饮的目的，并满足优质优用、低质低用的要求，同时对水厂内部的自控系统也在不断地进行改进和提高。

　　在水处理行业中，普遍存在着用水量变化较大的问题，在不同的季节、不同的时段，用户用水的需求量有很大的差别，存在着明显的用水高峰特征，因此水处理厂供水系统的给水压力需要随用户的用水需求量变化而变化。在低峰时，如果水泵机组按高峰期的用水量运行，虽可通过调节阀门来满足用水需求，但供水能量损耗大，而且还会影响机组的正常运行。因此，根据用水需求自动控制水泵机组运行，且实现节能，是水厂自动化技术的一项重要内容，因此变频调速的恒压供水系统孕育而生。

　　变频调速是一项有效的节能降耗技术，其节电效率很高，几乎能将因设计冗余和用水量变化而浪费的电能全部节省下来。变频调速控制技术，是指以变频调速原理为基础，在保证供水可靠性的前提下，根据供水系统用水量的变化情况，自动调整水泵工况，使之始终尽可能地在高效区间内运行，以达到降低能耗、提高效率的目的。这一技术是比较科学，可靠性较高的一种调节水泵工况的方式。它具有调速精度高、功率因数高等特点，使用它可以提高产品质量、产量，并降低物料和设备的损耗，同时也能减少机械磨损和噪音，改善车间劳动条件，满足生产工艺要求。

　　变频器是一种以变频调速技术为基础通过改变频率来调整电机转速的工业装置。作为一种先进的调速装置，变频器不但调速范围广、可靠性高、操作与维护方便，而且节电效果明显。在水处理行业变频器具有广阔的发展前景，有关其应用研究也一直得到相关工程领域的重视。应用变频器来实现变频节能供水，可以采用恒压变量或变压变量两种方式来实现。恒压变量供水系统通过调整变频器转速（即供水流量）来保证供水压力不变，该系统技术比较成熟，应用广泛。变压变量供水系统则根据用户用水量的变化同时调整变频器转速（即供水流量）和供水压力，很明显该方案节能效果更好。但是由于水头损失等受各种因素影响，难以准确确定，实际应用的很少。

　　这类控制电路难以实现水泵机组全部软启动、全流量变频调节。往往采用一台泵固定于变频状态，其余泵均为工频状态的方式。因此控制精度较低、水泵切换时水压波动大、调试较麻烦、工频泵起动有冲击、抗干扰能力较弱，但成本较低。

　　这类控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便。电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高。

　　该方式下变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压。压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后欧亚体育，经可编程控制器内部 PID 控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入 PID 回路调节器，由 PID 回路调节器在调节器内部进行运算后，输入给变频器一个转速调节信号。

　　由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或 PID 回路调节器给出的，所以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口处另接一块 PWM 调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制器的输入信号，这样不但成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID 回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID 控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关键环节。

　　针对传统的变频调供水设备的不足之处，不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品。这些产品将 PID 调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。由于 PID 运算在变频器内部，这就省去了对可编程控制器存贮容量的要求和对 PID 算法的编程，而且 PID 参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。由于变频器内部自带的PID 调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。这类变频器的价格仅比通用变频器略微高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置 PID 功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。在满足工艺要求的情况下应优先采用。

　　总之，变频供水方式从运行原理及运行过程分析方面探讨，可以看出此供水方式具有节能的优点，但具体问题需要具体分析，在变频恒压供水系统的设计过程中需要注意许多设计要点，否则无法取得预期的节能效果。

　　[1]黄立培， 张学. 变频器应用技术及电动机调速. 北京：人民邮电出版社，2007.

　　变频供水设备靠调节水泵的转速来保持管网压力恒定，在系统出水管路处检测到的压力小于水泵的启动压力值时，该变频供水设备能够自动调节水泵转速使出口压力恒定。

　　水泵达到工频转速运行但压力达不到设定压力时，变频供水设备系统按顺序启停P2、P3水泵；随着用水量的减少，出口压力上升，水泵的转速逐渐降低。如果水泵转速降至变频供水设备系统设置的最低转速，系统按P3、P2、P1停止水泵运行。

　　变频恒压供水系统主要包括PLC控制器、变频器、水泵、TC时间控制器、PID调节器、压力传感器、液位传感器以及动力控制线路等，这些控制与监测构件共同组成一个稳定的闭环系统。

　　通过该系统的电位器可以设定供水压力值，再通过该系统的压力传感器，将实测的管道压力值反馈到PLC控制系统，系统将实测水压反馈值与给定压力值进行PID和DTC运算，得出压力差值，最后由系统变频器控制输出不同频率和电压的电源来驱动并调节水泵工作，改变水泵输出的水压及流量，从而保证供水管道内的水压始终处于恒定状态。

　　在水厂的日常生产过程中，系统管理人员只需要对该系统控制柜面板上的按钮和相应指示灯进行操作即可，系统操作简单，并可保障供水管道内的水压稳定。

　　变频恒压供水系统主要包含两种运行形式，即手动运行和自动运行。手动运行主要是通过对具有相应功能按钮的操作，控制水泵的启动与停止状态。通常情况下，手动操作只有在系统变频器发生故障或需要对供水系统进行检修时才会启用，而在水厂的正常生产过程中，很少采用手动操作的这种运行方式；系统的自动运行就是通过主控制系统对供水管网压力及设备运行状态的实时监控，保障管网正常供水的过程。在启动自动运行系统后，水泵开始工作，供水管网中的压力逐渐上升，与此同时，系统中的压力传感器检测实时水压值，并传送至PID调节器，再经过与设定的压力参数的比较，得出差值并传输到供水系统的变频器，由变频器调解水泵电机的功率，实现供水管网的供水恒压。在供水系统的自动运行过程中，也会受到各种外部因素的影响，如：突然断电时，供水系统将停止运行，当电源恢复后，由变频器直接执行供水水泵的启动、循环等全部的操作，供水系统将自动恢复运行。

　　通常情况下，水厂变频恒压供水系统至少有四个供水水泵，当系统进入自动运行模式时，首先给1号水泵电机通电，并将电压传输到变频器，由变频器逐步控制提升1号电机的电源输入频率，直至达到设定的信号值，再以同样的控制方法陆续启动后续的供水水泵。在系统的自动运行模式下，操作人员需要重点关注压力参数的比较环节，可以适当地对电压参数进行修正，从而保障供水管网系统的供水稳定性，也可充分发挥出变频恒压供水系统的安全、节能、高效的强大功能。

　　水厂变频恒压供水系统中的水泵，其扬程（H）、转速（n）、流量（Q）及轴功率（P）存在以下关系：Q=K1n、H=K2n2、P=K3HQ=K1K2K3n3=Kn3，其中K、K1、K2、K3为常数。根据公式，水泵的供水流量与其转速成正比，扬程与其转速的平方成正比，而对于水泵消耗的轴功率，则与其转速的三次方成正比。因此，调解水泵的运行转速不仅可以实现对供水管网进行调压的目的，对于系统节能也有着明显的效果。

　　3.2.1 液力耦合器。此方法主要是通过耦合器以实现对水泵的变速控制，转速比越小，其控制的程度就会越高，所以效率较低。

　　3.2.2 电磁离合器。这种调节方式的安全性较高，只需确保装置始终处于绝缘状态即可，而且结构相对简单、操作容易、成本较低，且无需较高的容量。但对水泵的转速进行调节后，其反应较慢并伴有较大的噪声污染及一定的转差损耗。

　　3.2.3 动叶调节。这种调节方式需要在水泵内安设动叶结构。相对于其他调节方式来说，其调节稳定性更佳，并可实现较大范围的高效调节，但其结构繁杂、成本较高、自动调节的能力较差，只适用在较大型的供

　　3.2.4 节流调节。节流调节即在水泵的输出口安设截流阀门，通过改变阀门的开口大小，以实现控制水泵供水流量的目的。在调节水泵输出流量的过程中，当阀门开口大小变化时，水流扬程也将发生改变，从而确保供水系统恒压控制的效率。这种调节方式的投资成本较低、安全可靠，但其能源损耗量也相对较高，常用在离心式水泵作业的供水企业。

　　3.3.1 自动投切。变频器的输出频率设有上限和下线，如果在变频器的输出频率已经达到其上、下极限，管网的水压仍无法满足水量要求时，PLC将开始执行投或切泵程序。当管网的用水量较小时，系统变频器只控制一台水泵稳定运行；而当用水量较大，变频器的输出频率已升至上限，仍无法确保管网的水压时，PLC将同时检测变频器的上限信号和控制器的压力下限信号，并将原变频情况下工作的水泵投入到工频状态，而系统备用泵则通过变频器启动后运行，从而确保管网水压及供水量的稳定。如果两台水泵仍无法满足水压要求时，可依次将变频工作的水泵投入工频状态，仅留一台备用泵变频运行；如果用水量降低，变频器释放最下线信号，此时PLC将控制工频运行的水泵停止工作，当下线信号仍然存在时，PLC将再次停止工频运行水泵，直至最低下线信号消失，管网恒压供水。

　　3.3.2 启动程序。水泵在启动前，系统PLC将先行对清水池水位及水泵真空度进行检测，当水位满足启泵要求，水泵真空度已经形成，系统将开启水泵的启动程序。如果水泵的真空度不足，系统将先启动真空泵抽真空，在真空度及清水池水位满足要求后启动水泵。抽真空时，如果抽真空失败或系统运行过程中清水池过低，系统将停止水泵运行并发出报警。

　　3.3.3 投泵程序。如果变频器输出频率已达上限，但管网水压仍低于设定压力值时，PLC将在规定的时间内计时，当管网压力达到了设定值，PLC放弃计时，否则开始变频调压；如果在规定时间内，管网压力仍无法到达设定值时，PLC将开始执行自动投切程序，以增加管网的供水压力和流量。

　　3.3.4 切泵程序。如果变频器输出频率降至下限，但管网的压力仍大于设定压力值时，PLC将在规定的时间内计时，当管网压力满足设定值要求，PLC放弃计时，并继续变频调压；若仍然大于设定值，PLC将依次停止恒压泵并提高变频器频率，直至管网压力达到设定值要求。

　　3.3.5 投切顺序。变频恒压供水系统遵循“先投先切、先切先投”的原则，控制水泵切换。PLC将根据水泵的运行状况，自动将其排列到待运行或运行队列中，并自动执行投切。如果运行中的水泵出现故障，PLC会将其从切换的队列中退出，并告知维护人员进行修理。

　　通常情况下，水厂的变频恒压供水系统包含若干个供水水泵（一般不少于4个），当水泵经过长期的、不间断的运行时，就会进入疲劳状态，供水效率降低，进而产生故障。所以对水泵的检修是系统故障排除的重点，也是水厂供水系统定期检修的关键性工作。

　　在检修水泵时，应在不影响供水系统正常运行的前提下，停运某一台水泵并进行检修或故障排除，其他供水水泵需正常运行。此外，在水泵的检修阶段，要使用备用水泵来替代已运行一段时间的水泵，保证水泵的轮休和工作，以此避免并降低水泵故障的发生几率，提升水泵的使用寿命和工作效率。

　　在正常的运行过程中，变频器如果出现差压、超压缺相、故障等情况时，变频恒压供水系统将启动报警系统，并发出报警信号和报警声，同时PLC会根据实际运行情况自动检测并分析故障的程度，如果PLC判定故障程度比较严重时，供水系统将立即跳转到停机状态。如：系统出现超压、缺相、变频器故障或液位下限等故障时，报警系统会立即启动并发出故障警示，供水管理人员接警后，通过系统提示，便可获知故障点及其故障原因，以便及时展开维修并除故障，对避免系统事故的进一步扩大而恶化供水质量有着重要意义。

　　此外，如果是供水系统的变频器发生故障，为了避免供水系统的正常运行遭受影响，可将系统由自动运行方式转换为手动运行方式，以此确保供水系统运行的连续性，保证水厂的供水质量。

　　水厂的供水系统在采用PLC变频恒压供水技术后，可显著提升供水系统的安全性和可靠性，在技术上，真正实现了无人值守、全自动循环切换、变频恒压控制的运行，消除了各台水泵启动时所产生的大电流冲击，确保了供水系统设备的运行效率及稳定性能的优化，降低了水泵的转速损耗并延长了水泵的使用寿命，为提升水厂的供水质量和经济效益创收有着深远的意义。

　　[1] 满永奎.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，1995.

　　[2] 胡佑兵.基于PLC的变频恒压供水系统研究与实现[J].中国水运（下半月），2009，9（7）.

　　[3] 中国城镇供水协会.城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

　　近年来，随着城市建设步伐的加快，越来越多的高层建筑矗立在城市街头。如何选择科学合理、安全卫生的二次供水方式更好地保障高层供水成为城市二次供水面临的问题。如今，二次供水系统也经历了不同的发展阶段，从过去老式的水泵加屋顶水箱到后来的变频恒压供水，再到近年来的无负压变频恒压供水。

　　无负压变频恒压供水系统是在传统变频恒压供水系统基础上发展起来的，主要由无负压调节罐、水泵、气压罐、智能控制系统等部分组成。无负压变频恒压供水系统是在采用独特的预压平衡技术、负压反馈技术、真空抑制技术及信号采集分析处理技术的基础上，采取完全与空气隔绝、外界管网不受影响为前提，利用原有供水管网压力进行高效节能供水的一种二次加压方式。

　　工作原理：供水管网中的自来水直接进入调节罐，罐内的空气从真空消除器内排出，待水充满后，真空消除器自动关闭。当供水管网能够满足用水压力及水量要求时，系统通过旁通止回阀向用户管道直接供水；当供水管网的压力不能满足用水要求时，系统通过压力传感器（或压力控制器、电接点压表）发出信号启动水泵运行。水泵供水时，若供水管网的水量大于水泵流量，系统保持正常供水；用水高峰期时，若供水管网水量小于水泵流量时，调节罐内的水作为补充水源仍能正常供水，此时，空气由真空消除器进入调节罐，消除了供水管网的负压，用水高峰期过后，系统恢复正常的状态。若供水管网停水导致调节罐内的水位不断下降，液位探测器发出水泵停机信号保护水泵机组。

　　无负压变频恒压供水系统是在传统恒压供水系统的基础上发展起来的一种新型供水系统，其主要特征是取消了泵前的水池或水箱，水泵直接从市政供水管网上吸水，通过先进的自动控制系统对泵前和泵后压力进行调节。

　　传统的水池二次加压供水方式采取的是自来水直接进入水池中，水池的水易被赃物甚至动物尸体所污染，尤其在夏天易产生藻类或滋生蚊虫，直接影响到用户的身体健康。无负压变频恒压供水系统由于删减了泵前的水池或水箱，实现了全封闭供水,，从根本上杜绝了自来水在水池或水箱中滞留时与空气接触而产生的水质污染，利用调节装置采用全封闭式供水方式，消除了二次污染。

　　传统的水池二次加压供水方式的水池是用来储存水的，原有的供水管网水压释放为零，浪费了管网原有压力能。无负压变频恒压供水系统利用调节装置与供水管网连接，可充分利用管网的压力能，直接利用市政供水管网余压，实现叠压供水，不但节约大量的运行成本，而且降低水泵的装机容量；同时采用变频方式进行软启动，避免了电流冲击；实现恒压控制，也避免了对管网的冲击，延长了管路及阀门的寿命。

　　传统的水池二次加压供水方式需建造水池，工程总投资大，并且使用过程中要定期清洗，不但增加了工程的总投资，还增加了日常的维护费用。无负压变频恒压供水系统利用调节装置供水，取消了泵前的水池（或水箱），节省投资，减少占地，可以通过提高防护等级实现供水系统室外安装，取消水泵房，增加建筑物的有效使用面积。同时可根据用户的现场情况可以采用立式或卧式不同的安装方式，检修方便。

　　尽管无负压变频恒压供水有它自身的优点，但是由于其技术特点，应用上也存在一定的局限性。当用户最大用水量大于供水管网最小进水量时，即出现求大于供的情况时就不允许采用无负压变频恒压供水，在可能对市政供水管网造成污染的场所也不能应用。主要包括以下场所：1) 城市供水管网经常停水的区域；2) 城市供水管网可利用水头过低的区域；3) 城市供水管网供水Q（水量）、H（压力） 波动过大的区域；4) 使用无负压供水设备后，对周边现有(或规划) 用户用水会造成严重影响的区域；5) 供水保证率要求高，不允许停水的用户；6) 凡可能对市政管网造成回流污染危害的相关行业，如医院、化工行业等。

　　保定市市区面积近110平方公里，用水人口近100万，城市供水管网平均水压0.3MPa，供水普及率达100%。随着城市发展，新建居民小区多为10层以上高层住宅。为保证高层供水，需配套建设二次供水系统。2005年以前，主要采取的是传统的蓄水池二次加压供水方式。这种二次供水方式最容易发生二次供水水质污染事件。保定市市区发生的最严重的一次二次供水污染事件是1994年10月，在南大街小区B区，由于二次供水设施设计不合理，蓄水池溢水口设计较低，并直接与雨水管道相连。当时小区内污水管道堵塞，污水流入雨水管道里，然后流入到蓄水池中，造成二次供水污染，数百人受害。2005年以后，市区二次供水逐步采取无负压变频恒压供水方式，每年新增设备在30套左右。近年来，从未发生一起因无负压变频恒压供水造成的水质事故。

　　随着变频调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频供水设备已广泛应用于多层住宅小区生活及高层建筑生活消防供水系统。

　　该类型设备在实际应用中较多，系统由水泵机组、循环软启动变频柜、压力仪表、管路系统等构成。变频柜由变频调速器，PLC(或变频控制器)，低压电器等构成。系统一般选择同型号水泵2～4台，以3台泵为例，系统的工作情况如下：平时1台泵变频供水，当1台泵供水不足时，先开的泵转为工频运行，变频柜再软启动第2台泵，若流量还不够，第2台泵转为工频运行，变频柜再软启动第3台泵。若用水量减少，按启泵顺序依次停止工频泵，直到最后1台泵变频恒压供水。另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过设定切换时间(一般设为1--2天)，变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。换泵时间由程序设定，可按要求随时调整。这样可均衡各泵的运行时间，延长整体泵组的寿命。为达到更好的节能目的，多功能变频控制器设有双恒压接口，系统可实现双恒压供水功能。该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区(如300户以内)或其它小规模用水系统，水泵功率一般不超过7.5kW。另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合，如循环水系统。

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　　当变频供水系统在小流量或零流量的情况下，比如在夜间用水低谷时，系统内的用水量很小，此时水泵在低流量下运行，会造成水泵效率大大降低，不能达到节能的目的，水泵功率越大用电越多。例如对300～1000户的多层住宅小区或600户左右的小高层住宅楼群(12层以内)的生活用水系统，生活主泵功率一般在15kW左右，系统的零流量频率f0一般为25～35Hz，故在夜间小流量时，采用主泵变频供水效率较低。这就涉及供水系统在小流量或零流量时的节电问题，一般可以采取4种方案：①变频主泵+工频辅泵；②变频主泵+工频辅泵+气压罐；③变频主泵+气压罐；④变频主泵+变频辅泵+气压罐。从节能、投资角度看第4种方案更为适宜，该方案即在原变频主泵基础上，再配备1～2台小泵专用在夜间或平时小流量时变频供水，一般选择小泵流量为3～6m3/h，居民区户数越多，流量可适当选择大些。小泵功率一般为1.5～3kW，小泵的扬程按主泵扬程或略低于主泵扬程即可。变频柜采用PLC控制，程序采用模块化设计，系统控制流程见图1。平时系统运行于主泵循环软启动变频供水模式，系统用水量减小时，主泵频率逐渐降低，当频率低于小流量频率时，PID调节器发出低频切换信号，延时后，系统自动进入小泵变频供水模式。当用水量增大，小泵流量不能满足系统需要时，PID调节器发出满频信号，延时后，系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。为达到更好的节能效果，系统也可实现双恒压供水功能。以杭州某住宅小区变频供水系统为例，生活主泵配QDG30?20×3立式多级泵2台，单台Q=30m3/h，H=60m，N=11kW，小泵配QDL4.8-8×6立式多级泵1台，Q=4.8m3/h，H=48m，N=1.5kW。在用水非高峰时，主泵运行小流量频率平均为30Hz，电流为6.5A，采用小泵时小流量频率平均为35Hz，电流为2.5A，按每天小流量运行时间15h计算，每年可节电3800kWh。

　　对比较大的生活小区和高层建筑的生活用水，若单配主泵机组和小流量泵，因小泵流量QL和主泵流量QM差别较大，当流量调节范围在QL～1/3Qm时，水泵的运行效率仍很低，导致水泵运行不经济，浪费电能。并且流量在大于或接近QL时还会出现频繁的换泵操作。为实现在全流量范围内水泵始终能高效率运行，这就有必要再增加一种中流量水泵，流量可选为1/3Qm～1/2QM。特殊情况下还可增加2种中流量水泵。这样整体水泵流量选择呈阶梯状，从而使得设备在任何流量段运行时均处于水泵的高效率段，更加节能。变频柜控制核心由PLC和多功能PID调节仪构成。系统也可实现双恒压供水功能，中泵和小泵变频时低恒压供水，主泵变频时高恒压供水。

　　目前深水井潜水泵采用变频调速控制的也非常广泛，主要是因为不需再建水塔，设备占地小，建设周期短，水质无二次污染，水泵软启动软停车，故障率低，大修周期延长，寿命提高。但对夜间也要求供水的系统(一般居民生活用水都有要求)，仍存在夜间小流量费电问题。一般潜水泵功率较大，小流量频率fL一般在28Hz以上。如30kW的潜水泵，小流量频率按30Hz计算，每天夜间近6h内约有50kWh电能浪费，一年就是18000kWh!这还未计入白天小流量时的用电。为解决小流量耗电问题，可增配1台直径600～1200的囊式气压罐，一般气压罐可直接安装在泵房。根据气压罐的调节容量合理设置小流量频率fL。变频柜控制核心仍为PLC和多功能PID调节仪，当系统用水量变小，运行频率降至小流量频率fL时，系统进入小流量变频稳压状态，同时PLC自动计算潜水泵启动次数，若小时启动次数D≥12次，系统则回到潜水泵变频恒压供水状态。

　　对多层建筑，《建筑设计防火规范》GBJ16-87第8.1.2条规定消防给水宜与生产、生活给水管道合用。但对高层建筑，《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95第7.4.1条规定室内消防给水系统应与生活变频供水、生产给水系统分开独立设置。而12层以内小高层建筑(特别是住宅楼群)，生活消防压力差别不大，若管材选用适当或消防管路采取防倒流措施，在采用变频设备及电源可靠条件下，建议高规适当放宽要求应允许生活消防合用供水设备。同时有以下优点： (1)生活消防泵组定时轮换运行，不会因消防泵长期不用或管理不善而使水泵锈死，机组时刻处在工作状态。 (2)生活泵组和消防泵组合用，基本节省一套消防泵,且便于设备管理和维护。(3)设备自动化程度高，供水稳定可靠，且水质无二次污染。(4)水泵软启动软停车，无冲击和超压危害。系统可按循环软启动变频设备或带小流量泵的循环软启动变频供水设备选型，主泵流量按生活、消防两者最大的来选择，并留有1台备用泵，扬程一般按消防设计压力选择。

　　(1)生活供水系统采用变频供水设备可改善供水水质，且自动化程度高，又是国家节能推广技术，但若选择使用不当，又会造成电能浪费，达不到预期目标。因此建议设计人员和用户在方案确定之前应根据用水性质、用水特点、用水规模、设备投资等因素综合考虑，在保证可靠供水前提下，充分发挥变频调速的节能潜力。

　　变频恒压供水系统通过异步电机的转速控制水泵的出水流量，根据交流电机转速n与供电电源频率f之间的正比关系（1），连续调节供电电源频率即可连续平滑地调节交流电机的同步转速，因此供水系统的变频实质就是异步电机的变频调速。

　　式中， f为定子工作电源的输入频率， p为磁极对数， n为转子转速， s为转差率。

　　变频恒压供水系统由PLC、变频器、水泵机组、压力传感器、低压电器及辅助部件构成，如图1所示。

　　变频恒压供水系统的控制模式包括自动控制模式和手动控制模式。压力传感器采集主水管网实时水压，变频器根据实时水压和设定水压进行PID调节，PID输出量调节运行频率，通过控制水泵的出水量实现了管网压力的稳定；如果运行频率为上限频率或下线频率，且延迟一定时间（比如1-2分钟）后，PLC进行水泵机组的增减切换。

　　在自动控制模式下，系统起动后接通变频器。假定增泵切换顺序为l#水泵机组、2#水泵机组、3#水泵机组，减泵切换顺序为3#水泵机组、2#水泵机组、l#水泵机组。l#水泵机组变频调速运行，若实时水压小于设定水压，则运行频率上升；当运行频率达到上限频率且延迟一定时间后，PLC将l#水泵机组切换到工频，同时启动2#水泵机组变频调速运行；同理，PLC可实现2#水泵机组、3#水泵机组间的增泵切换。在第l#、2#水泵工频运行，3#水泵机组变频调速运行的情况下，若实时水压大于设定水压，则运行频率下降；当运行频率达到下限频率且延迟一定时间后，PLC控制3#水泵机组停机，同时将2#水泵机组切换至变频调速运行；同理，PLC实现2#水泵机组、l#水泵机组间的减泵切换。

　　在系统发生故障的情况下采用手动控制模式。实时水压小于设定水压时，手动将当前水泵机组切换至工频运行，并增加另一水泵机组变频运行。实时水压大于设定水压时，手动切断当前水泵机组的电源，同时将一组工频运行的水泵机组切换为变频调速运行。

　　PLC是整个变频恒压供水系统的控制核心，其通过变频器和接触器实现对水泵机组的切换和顺序控制。本系统选用FX2N-32MR型PLC，接线. 交-直-交变频器

　　交-直-交变频器通过整流电路将工频交流电转换为直流电，直流电经过平滑滤波后，由逆变器转换为频率可调的交流电，为电机供电。变频器运行频率可在较大范围（0-400Hz）内调节，但实际应用中，其调节范围为20Hz左右-50Hz。本系统选用内置PID的三菱FR-A540系列变频器，其控制接线所示。

　　压力传感器检测主水管网的实时水压，并将压力信号转换为4～20mA或0～5V的电信号。本系统中采用CY-YZ-1001型绝对压力传感器，量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，供电电源为28±3DCV。

　　根据系统供水流量大小、扬程高低等选择本系统的水泵机组。为取得较好节能效果，使水泵机组运行于高效区，本系统选用ISG型立式离心泵40-160（I），其参数如表2所示：

　　主程序主要完成系统初始化、运行模式选择、根据检测的实时水压调节运行频率、由运行频率与上限频率、下限频率的关系控制增泵或减泵。主程序流程图如图4所示。

　　自动运行程序和手动运行程序分别在自动模式和手动模式下，通过开关线圈控制水泵机组的运行、增泵切换顺序、减泵切换顺序。自动运行程序和手动运行程序的总切换顺序功能图如图5所示。

　　另外，在热继电器断开、单组水泵机组同时接通工频和变频时，系统发出报警，水泵机组停止运行。

　　本系统采用变频调速减小了供水水泵的频繁启动，并使水泵机组高效运行，从而节约能源，减小对电网的冲击。

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　　当今社会的供水方式向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，应用在城乡工业用水的各级加压系统、居民生活用水的恒压供水系统中。在变频恒压供水技术出现以前也有很多供水方式，如恒速泵直接供水和水塔供水等方式，但这些传统的供水方式，由于供水稳定性差、设备成本过高和场地受限等原因，已经不能很好地满足人们日常的供水需要。随着变频器的问世，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

　　3台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，用变频器、CPM1A PLC、调节器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定。水泵的切换方式为：第一台泵作变频泵，第二、三台泵作变频备用泵。当第一台水泵运行至工频时切换至工频电网，第二台水泵变频运行；当第二台水泵运行至工频且压力达不到要求时，切换至工频，第三台泵变频起动。用水量减少时，依次停下第三台水泵，第二台水泵，顺序运行。当变频器出现故障时，所有水泵停机，报警。

　　变频恒压供水控制系统的基本原理是：通过安装在管网上的压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，采用电动机调速装置（变频器）与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程序控制器、压力变送器和水泵机组一起组成的完整闭环调节系统。

　　由设计工况可知，每台水泵都有变频运行和工频运行两种工作状态，每台水泵都受两个接触器控制，一个接触器使水泵与变频器连接，另外一个接触器使水泵与电网电压连接。在启动变频调速时，先断开第一台的变频运行，切换为工频运行，再使第二台水泵与变频器连接。在停止变频调速时，先断开第三台的变频运行，断开第二台的工频运行，再使第二台水泵与变频器连接。切换时中间继电器控制使变频器无输出，这些都是由PLC控制的。

　　本系统使用OMRON CPM1A 系列PLC，在输入点方面，系统设有手动/自动、工作/检修、夜间三个旋钮开关需3个输入点；自动运行状态下，控制起动和停止需2个输入点；手动运行状态下，每台水泵都有起动和停机按钮，需8个输入点；每台水泵都有故障监测，需4个输入点；压力传感器的检测信号经PID的比较分析会产生压力上限、下限两种信号，需2个输入点；系统的液位监测也需1个液位下限的输入；变频器的故障也需1个输入点，共需21个输入点。在输出点方面，水泵M1、M2，M3即可变频运行，也可工频运行，M4只需工频运行，需PLC的7个输出点；变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，变频器的故障报警与显示需1个输出点；切换时，中间继电器控制使变频器无输出需1个输出信号控制；每台水泵的都有故障显示灯，需4个输出点，输出点数量为14个。本系统选用CPM1A-40CDR-A-V1型PLC。

　　自动运行时液位下限的常闭闭合，当按下自动起动按钮进入自动运行状态，变频器运行，按下停机按钮变频器则停止运行，当夜间旋钮开关闭合或者变频器出现故障时，变频器则会停止运行，出现水位下限信号时变频器亦会停止工作。

　　当变频器开始运行时，1#水泵开始变频运行。当第一次水压到达下限时，1#泵变频运行断开，2#泵变频运行起动，此时1#泵需切换到工频运行，为了避免出现工频、变频同时接通的情况，所以延时5s后1#泵切换至工频运行。

　　1#水泵切换至工频后，2#泵变频运行，当第二次水压到达下限时，不满足供水需求，2#泵变频运行断开，3#开始变频运行，此时2#泵需切换到工频运行，为了避免出现工频、变频同时接通的情况，所以延时5s后2#泵切换至工频运行。

　　第二次压力下限到达后，定时器1接通，延时5秒，2#泵切换至工频，3#泵在延时前已经变频运行，当前1#泵、2#泵工频运行，3#泵变频运行。当夜间工作模式开启或者变频器故障时，3台泵均停机。

　　当用水量需求减小时，管网的压力减小，通过压力传感器的信号检测，传来压力上限信号，此时计数器1复位，3#泵与变频器切断停机，2#泵工频断开，延时5秒后，2#泵变频起动。此时2#泵变频运行，1#泵保持工频运行。

　　用计数器2来计数压力上限信号，当第二次上限信号到达，计数器输出ON，此时2#泵变频断开，1#工频断开，延时5秒后定时器2输出ON信号，1#变频运行。

　　当夜间用水量不大的时候，开启夜间模式，则1#、2#、3#均停机待起，此时夜间泵变频运行起动。当传来水位下限信号或者变频器故障，夜泵则将停止工作。

　　每台泵都有各自的故障报警指示灯。当工作状态时，变频器故障，变频器故障指示灯变亮，并报警，当把系统转入检修状态时，变频器故障灯与警铃都断开。

　　某水处理实验系统要求压力恒定和流量恒定，并且需要动态保存大量数据，以备分析。若采用手动调节控制压力和流量，不仅繁琐，而且误差较大，并造成能源浪费。本系统采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID结合，根据系统状态可快速调整供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高系统的稳定性，得到良好的控制效果以及明显的节能效果。

　　恒压供水是指在供水网系中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。这既满足了各用户对水的需求，又不使电机空转造成能量浪费。传统的恒压供水方式是采用水塔高位水箱气压罐等设施实现，现今随着变频技术的成熟，变频调速恒压供水方式取代了前者。变频恒压供水方式是根据给定压力信号和反馈压力信号，调节水泵转速从而达到控制管网中水压恒定的目的。

　　在一定范围内可以在保持出水压力恒定的前提下，通过改变转速来调节流量，并且没有压力升高带来的损失，这种特性表明调节水泵转速改变出水流量使压力稳定在恒压线上就能够完成液体的恒压供水。

　　变频调速恒压供水系统结构如图所示，其中，压力调节器PID是西门子MM430型变频器自带的控制系统。用PID调节器与变频器构成闭环系统控制，可以提高供水压力的控制精度，改善控制系统的动态响应。与虚线关联部分为MM变频器调速控制系统为内环。系统工作时，先启动主泵，管网水压达到设定值，变频器的输出稳定在某数值上。而当用水量增加，水压降低时，压力变送器将该信号实时送入比较器与给定压力H比较，其差值输入PID控制器，PID的输出量作为 MM控制变频器的转差给定输入，从而控制电动机的转速上升，水压力P恢复到给定值P，系统稳定运行。如果用水量增加很多，主泵达到最大流量仍不能使管网水压达到设定值，将自动启动备用泵；反之，当用水量减少时，可自动切断备用泵。变频器根据压力信号以双位控制方式达到恒压供水的目的。

　　小区恒压供水的一般模式为通过水泵提高供水管道压力，将水上扬送至高层住户。由于用户用水时间及用水量变化，要求维持管道供水压力，通过调节水泵电机的转速，可实现压力恒定。

　　变频器根据给定压力指令控制水泵电机，出口检测压力传感器将管道压力信号反馈给变频器，经变频器内置的PID进行控制。当实际压力小于设定压力时，变频器控制电机加速；当实际压力大于给定压力时，变频器控制电机减速，从而保持管道压力恒定。

　　大化二区生活供水系统由三台水泵构成，每台水泵的功率为11kW，采用一台FRN30G11S-4及供水附件进行控制。压力检测采用电阻式远传压力表，量程为1MPa。该系统的主要电气控制框图如图2所示，图3为主电路图。

　　加泵过程：当实际压力小于设定压力时，变频器启动后拖动1号水泵电机运行，待运行频率上升至50Hz，并经设定的泵切换判断时间后，1号泵切换到工频运行，而变频器则继续起动2号泵运行，同样的，待变频器工作频率上升至50Hz，并经设定的泵切换判断时间后，2号泵切换到工频运行，变频器起动3号泵变频运行，直到实际压力等于设定压力时，变频器拖动相应的水泵电机运行。

　　退泵过程：退泵过程为加泵过程的逆过程。当实际压力大于设定压力，1号工频泵先停止，变频器驱动当前泵运行，若实际压力仍大于设定压力，再停止2号工频泵，变频器驱动当前泵运行，若实际压力还大于设压力，则变频器降低当前频率，直至实际压力等于设定压力。

　　主要参数：运行参数选择、反馈信号特性、设压力值、反馈通道增益、外部运行命令、加速时间、PID控制器结构、减速时间、V/F曲线设定、下限频率、下限频率运行模式、远传压力表量程、起动方式、下限压力设定值、上限压力设定值、故障自恢复次数、PID设定通道、PID反馈通道、固定顺序切换。

　　目前恒压变频控制技术已经比较成熟，应用也较普遍。采用变频控制既达到了节能效果，同时也实现了小区供水系统的自动控制。另一方面，采用变频器控制可简化电气控制电路，维护方便，水泵电机实现软起动亦可延长电机的使用寿命。二区自采用恒压变频控制到目前为止，系统运行稳定，节能效果也达到了预期目标。

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　　鹤岗诚基水电热力有限责任公司南部供水系统由富力泵站、鹿林加压站和南山配水池组成，富力泵站以0.76Mpa恒压运行，在保证鹿林山地区用水的前提下，多余水量送到鹿林加压站，由鹿林加压站将水送至南山配水池，通过自流供南山地区用水。为保证富力泵站的恒压供水和南山配水池有调节水量的能力来满足南山地区用水，诚基水电热力有限责任公司在富力泵站、鹿林加压站安装了变频器，通过PLC实现了南部供水系统的自动化控制。

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一种频率的电能控制装置。变频器由移相变压器、功率单元和控制器组成。它采用直接“高-高”形式，6KV输入直接高压 6KV输出， 6KV系列有15个功率单元，单元串联多电平拓扑结构，每相由5个功率单元串联而成，每个功率单元可以互换，其电路结构如图3为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。

　　功率单元输入侧由移相变压器供电，移相变压器的副边绕组分为三组，构成30脉冲整流方式，经过多级移相叠加的整流方式，消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，大大改善网侧的电流波形。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到阶梯PWM波形。这种波形正弦度好，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，完全适合旧设备的改造。

　　控制器由高速单片处理器、人机界面和PLC共同构成，单片机实现PWM控制，人机界面提供了全中文监控界面实现远程监控和网络化控制，内置PLC则用于信号的逻辑处理。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有抗电磁干扰性能。控制柜内备有UPS不间断供电电源，当控制电源掉电时，不影响变频器的正常运行。恒压供水

　　富力泵站恒压供水的工作原理：测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与泵站给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

　　当鹿林加压站的来水量能够满足南山地区的用水量时，通过南山配水池的水位变送器输出的模拟量经过A/D转换经光纤送到鹿林加压站，再经D/A转换传到变频器的PLC中，由PLC控制水泵的转速达到南山配水池水位恒定的目的。当鹿林加压站的来水量不能满足南山地区的用水量时，加压站的水泵转速将不受南山配水池水位的控制，由鹿林加压站的来水流量计输出的模拟量信号通过PLC来控制水泵的转速，达到来水量与出水量的平衡，而南山地区的用水量将通过配水池内的水量来满足。以上控制过程都是在无人操作的情况下自动完成的，运行后取得了良好的经济效益和社会效益。社会效益

　　2.富力泵站、鹿林加压站采用变频器后，实现了水泵的软启动，减少了工频启动水泵时所造成的对水泵、管路、闸阀等的冲击，增加了设备的使用寿命，减少了设备的维修量。

　　3.富力泵站根据设定的压力实现闭环运行恒压供水；鹿林加压站通过来水量和南山配水池的水位实现闭环运行。以上运行过程都是在变频器内PLC的控制下运行的，无需泵站运行人员对设备运行情况进行实时监控和频繁操作水泵，减轻了职工的劳动强度。

　　4.变频器的使用使电机从零转速启动，避免了工频启动电流大所造成的对电机和电网的冲击，延长了设备的使用寿命，节省了设备投资。

　　5.变频器具有完善、灵敏的故障检测、诊断、报警、跳闸等功能，保证电机水泵始终安全运行。

　　1.富力泵站、鹿林加压站通过安装变频器调节水泵的转速来控制水泵的供水量，避免了因采用调节出水闸阀的开度来水泵供水量而消耗在阀板的能量损失，大大地节省电能。

　　富力泵站3#机组（355KW/6KV）在压力为0.76Mpa流量为900m3 /h时工频运行的电流为33.5A。而在相同的压力、流量的情况下，变频运行的电流为27.3A。富力泵站安装变频器至今运行半年共节电：

　　以每千瓦时电0.5元计算可节资：0.5元/千瓦时×24.5万千瓦时=12.25万元

　　2.鹿林加压站1#机组（132KW/0.38KV）在压力为0. 60Mpa流量为350m3 /h时工频运行的电流为210A。而在相同的压力、流量的情况下，变频运行的电流为180A。富力泵站安装变频器至今运行半年共节电：

　　以每千瓦时电0.5元计算可节资：0.5元/千瓦时×7.5万千瓦时=3.75万元

　　富力泵站机械室内没有取暖设施，在没有安装变频器前电机运行电流高，电机本身产生的热量就能满足机械室内冬季的取暖问题；安装变频器后，电机运行电流低其产生的热量已无法满足室温的要求。变频器的变压器、功率模块均是发热元件，通过风机的强排风对其进行冷却，单位正在设计将热源进行收集、利用，用其解决泵房冬季取暖的问题。

　　利用变频器支持Profibus、Modbus、TCP/IP等种通讯协议，将变频器的运行参数传输到远端系统调度室，对其进行监测。还可以通过上位机对变频器进行实时状态监控，实现远方对变频器的启动、停车、设定运行频率、查看故障记录等控制操作，除安排必要的维修人员外可实现无人看守，从而降低劳动力。