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【摘 要】 当代的中国处于改革开放的深水区，自然资源同社会发展的矛盾已经凸现出来，水资源使用的矛盾更是成为了社会发展的一大障碍。而给水泵站的建设与优化是解决水资源配置问题的必要环节。变频调速恒压供水具有节能、自动化程度高、操作控制方便等优点，大大改善了供水生产及现场环境，不仅产生了很好的节能效益，还优化了生产工艺。下面将介绍水泵站的电气设计。
【关键词】 变频恒压;水泵站;电气设计
引言：
随着二次供水加压技术的发展，变频恒压供水设备从根本上解决了这些问题。变频恒压供水设备不需要建造水塔，投资小、占地少，采用水气自动调节、自动运转、节能与自来水自动并网，停电后仍可供水，调试后数年不需看管。比建造水塔节约投资70%，比建造高位水箱节约投资60%，大大节约土建投资。变频恒压供水设备广泛用于企事业单位、住宅区及农村的生产、生活、办公用水。
1 变频恒压供水系统理论分析
1.1变频恒压供水系统节能原理
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，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图1所示。
图1 供水系统的基本特征
由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（u）间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系HJ（Qu）。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系Hf（Qc）。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，如图中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
1.2变频恒压供水设备特点
①高效节能;
②供水管网压力稳定;
③占地小、投资少，安装工期短;
④保护功能全，运行安全可靠，操作方便;
⑤供水功能全，保险系数高;
⑥适用范围。
2 变频恒压给水泵站电气设计要点
（1）启动阶段自动控制系统的设计
系统开始工作时，压力传感器将水压信号送到PLC控制器，开始时水压低于设定值，启动升速程序。把第1台电机接入变频器输出电路，变频器初始输出频率为35Hz，电机低转速启动，控制水泵电机逐渐升速，同时管网电压上升。当水压达到设定值时，变频电机在此频率下稳定运行，进入稳定运行状态，并保持水压恒定。若变频电机频率达到电网工频时，水压还未达到设定值，此时PLC给出信号至接触器组。接触器组将第1台电机切换至工频电网，同时发出指令使第2台电机接入变频器，变频器输出频率为35Hz，第2台水泵启动并调速至水压的设定值，达到稳定运行状态使水压保持恒定。
（2）稳定运行状态的自动控制系统设计
进入稳定运行状态后，为了防止各种扰动如用水负荷的波动对水压造成的影响，压力传感器将管网水压信号与给定水压比较后通过PID环节送至变频器，调节变频器的输出频率从而保持水压的稳定。传统的PID调节器算法为：关于P值，I值，D值的设定可采用在经验值指导下的测试法，力争短时间内完成参数设定，避免对外界和设备本身造成不良影响。设定的依据：增益P值大，反应快，有利于减少静态误差（即供水管网的实际压力与恒压给定值的差值），但是P值过大，系统将产生振荡，稳定性变坏。积分I值越小振荡作用越强烈，应适当增大I值，减少振荡，使系统更加稳定，但是积分时间太长又会发生当实际管网水压急剧变化时难以迅速恢复的情况，系统的动态响应变差。微分D值时间愈短，微分作用愈弱，减少D值，有利于减少调节时间，克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。P，I，D经验值和参数设定依据，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。依据笔者多年的经验，确定了参数的大致范围：当P参数设定为1.4，I参数设定为20，D参数设定为0.5时，效果较令人满意。应注意本文给出的仅是参考值，在PID产生的控制作用中，某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿，因此不同的设定参数完全可得到同样令人满意的控制效果。
对于居民小区，用水高峰集中在早、中、晚3个时段，而在深夜则用水量处于低谷。改变不同时段的压力给定值，则更能起到节能的作用。每个时段内的压力给定值是根据日用水量变化情况设定的。在PLC控制程序中根据时段的不同，设定不同压力值，在深夜，给定值小些;在用水高峰期，给定值大些。工作时，控制程序按不同时段自动给出压力给定值，无需人工干预。
（3）加泵、减泵控制
当变频器输出频率最高水压仍不能满足要求，则需要进行加泵操作。第1台电机由变频到工频的转换，时间应尽可能短。因为电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。同时第2台电机接入变频器启动。如果两台电机同时运行时，由于用水负荷减小，第2台电机转速调到最低，实际管网压力仍然超出设定值，则进行减泵操作。将第1台电机从电网断开。为了防止出现反复加泵、减泵的现象，在PLC程序设计中，引入滞环控制。程序中加泵、减泵的切换设定值不是刚好等于设定值，加泵时设定值为“设定值-△”，减泵时设定值为“设定值+△”。△的大小根据水压控制精度要求而进行相应设定。
（4）人机交互界面的设计
人机交互界面应当提供相应的操作控制界面，提供相应故障报警信息等。系统应当提供自动控制模式和人工控制模式两种。在自动控制模式下，如果发生停电或其他意外情况使水泵停机，系统能够在下次供电时重新启动。这样，供水站平时就可无人值守，有利于减轻工作人员的劳动强度，节约劳动力资源。系统出现故障时，能够切换到手动控制方式，保证连续供水。
3 变频恒压给水技术在泵站电气设计中的优势
（1）有利于设备延长使用寿命
变频调速操作有利于设备延长水泵以及相关设备的使用寿命，并且能够有效的减少和降低维修费用以及事故发生率。
（2）使水泵的控制更加灵活
由于可以同时控制多台水泵，这样就可以使水压的整体变化更加精确。再者，水泵之间都是并联系统，一台水泵如果发生了故障不能够运行，就会自动发出报警，变频控制器会启动其他的水泵，或是调高其他水泵的转速，增加了给水泵站整体系统的可靠性，保证了生产生活的供水。
4 结束语
变频恒压给水泵已经应用到生产、生活等各个领域，它所发挥的作用也日益显著。因此在进行变频恒压给水泵的电气设计时，一定要全方面的考虑，尽可能的减少耗能、提高能源利用率。
参考文献：
[1]史永果.变频恒压给水泵站电气设计浅析，建筑电气，2009年1期.
[2]王侃夫.PLC变频恒压供水系统的电气设计，上海电机学院学报，2005年第8卷第3期.
[3]李树红、马真真.恒压变频供水电气控制系统，中等职业教育，2012年第14期.
【关键词】 变频恒压;水泵站;电气设计
引言：
随着二次供水加压技术的发展，变频恒压供水设备从根本上解决了这些问题。变频恒压供水设备不需要建造水塔，投资小、占地少，采用水气自动调节、自动运转、节能与自来水自动并网，停电后仍可供水，调试后数年不需看管。比建造水塔节约投资70%，比建造高位水箱节约投资60%，大大节约土建投资。变频恒压供水设备广泛用于企事业单位、住宅区及农村的生产、生活、办公用水。
1 变频恒压供水系统理论分析
1.1变频恒压供水系统节能原理
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，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f（Q），如图1所示。
图1 供水系统的基本特征
由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（u）间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系HJ（Qu）。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系Hf（Qc）。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，如图中A点。在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
1.2变频恒压供水设备特点
①高效节能;
②供水管网压力稳定;
③占地小、投资少，安装工期短;
④保护功能全，运行安全可靠，操作方便;
⑤供水功能全，保险系数高;
⑥适用范围。
2 变频恒压给水泵站电气设计要点
（1）启动阶段自动控制系统的设计
系统开始工作时，压力传感器将水压信号送到PLC控制器，开始时水压低于设定值，启动升速程序。把第1台电机接入变频器输出电路，变频器初始输出频率为35Hz，电机低转速启动，控制水泵电机逐渐升速，同时管网电压上升。当水压达到设定值时，变频电机在此频率下稳定运行，进入稳定运行状态，并保持水压恒定。若变频电机频率达到电网工频时，水压还未达到设定值，此时PLC给出信号至接触器组。接触器组将第1台电机切换至工频电网，同时发出指令使第2台电机接入变频器，变频器输出频率为35Hz，第2台水泵启动并调速至水压的设定值，达到稳定运行状态使水压保持恒定。
（2）稳定运行状态的自动控制系统设计
进入稳定运行状态后，为了防止各种扰动如用水负荷的波动对水压造成的影响，压力传感器将管网水压信号与给定水压比较后通过PID环节送至变频器，调节变频器的输出频率从而保持水压的稳定。传统的PID调节器算法为：关于P值，I值，D值的设定可采用在经验值指导下的测试法，力争短时间内完成参数设定，避免对外界和设备本身造成不良影响。设定的依据：增益P值大，反应快，有利于减少静态误差（即供水管网的实际压力与恒压给定值的差值），但是P值过大，系统将产生振荡，稳定性变坏。积分I值越小振荡作用越强烈，应适当增大I值，减少振荡，使系统更加稳定，但是积分时间太长又会发生当实际管网水压急剧变化时难以迅速恢复的情况，系统的动态响应变差。微分D值时间愈短，微分作用愈弱，减少D值，有利于减少调节时间，克服因积分时间太长而使系统恢复时间过长。P，I，D经验值和参数设定依据，在测试过程中依照先比例后积分的原则对系统进行在线调试。依据笔者多年的经验，确定了参数的大致范围：当P参数设定为1.4，I参数设定为20，D参数设定为0.5时，效果较令人满意。应注意本文给出的仅是参考值，在PID产生的控制作用中，某部分的减少往往可由其他部分的增大来补偿，因此不同的设定参数完全可得到同样令人满意的控制效果。
对于居民小区，用水高峰集中在早、中、晚3个时段，而在深夜则用水量处于低谷。改变不同时段的压力给定值，则更能起到节能的作用。每个时段内的压力给定值是根据日用水量变化情况设定的。在PLC控制程序中根据时段的不同，设定不同压力值，在深夜，给定值小些;在用水高峰期，给定值大些。工作时，控制程序按不同时段自动给出压力给定值，无需人工干预。
（3）加泵、减泵控制
当变频器输出频率最高水压仍不能满足要求，则需要进行加泵操作。第1台电机由变频到工频的转换，时间应尽可能短。因为电机脱离变频后，在水压的作用下，电机转速下降很快，转换时间过长，会导致电机启动电流增加。同时第2台电机接入变频器启动。如果两台电机同时运行时，由于用水负荷减小，第2台电机转速调到最低，实际管网压力仍然超出设定值，则进行减泵操作。将第1台电机从电网断开。为了防止出现反复加泵、减泵的现象，在PLC程序设计中，引入滞环控制。程序中加泵、减泵的切换设定值不是刚好等于设定值，加泵时设定值为“设定值-△”，减泵时设定值为“设定值+△”。△的大小根据水压控制精度要求而进行相应设定。
（4）人机交互界面的设计
人机交互界面应当提供相应的操作控制界面，提供相应故障报警信息等。系统应当提供自动控制模式和人工控制模式两种。在自动控制模式下，如果发生停电或其他意外情况使水泵停机，系统能够在下次供电时重新启动。这样，供水站平时就可无人值守，有利于减轻工作人员的劳动强度，节约劳动力资源。系统出现故障时，能够切换到手动控制方式，保证连续供水。
3 变频恒压给水技术在泵站电气设计中的优势
（1）有利于设备延长使用寿命
变频调速操作有利于设备延长水泵以及相关设备的使用寿命，并且能够有效的减少和降低维修费用以及事故发生率。
（2）使水泵的控制更加灵活
由于可以同时控制多台水泵，这样就可以使水压的整体变化更加精确。再者，水泵之间都是并联系统，一台水泵如果发生了故障不能够运行，就会自动发出报警，变频控制器会启动其他的水泵，或是调高其他水泵的转速，增加了给水泵站整体系统的可靠性，保证了生产生活的供水。
4 结束语
变频恒压给水泵已经应用到生产、生活等各个领域，它所发挥的作用也日益显著。因此在进行变频恒压给水泵的电气设计时，一定要全方面的考虑，尽可能的减少耗能、提高能源利用率。
参考文献：
[1]史永果.变频恒压给水泵站电气设计浅析，建筑电气，2009年1期.
[2]王侃夫.PLC变频恒压供水系统的电气设计，上海电机学院学报，2005年第8卷第3期.
[3]李树红、马真真.恒压变频供水电气控制系统，中等职业教育，2012年第14期.