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【摘 要】本文分析了传统消防水稳压系统存在的问题，提出了基于变频技术的新型稳压控制系统，分析了该新型稳压控制系统的结构和工作原理，在合理的元件选型的基础上具体设计了消防水稳压控制系统，试验运行结果表明该新型消防水稳压控制系统可以较好地实现水压控制。
【关键词】消防水稳压控制系统；变频技术；PID控制
1 引言
随着经济的发展和生产规模的扩大，企业对消防供水系统的要求越来越高。在突然出现火灾时，如果消防供水系统无法迅速有效地提供消防用水，将会对企业造成严重的经济损失，也会对员工的生命安全构造很大威胁，这就对消防水的控制系统提出了很高的要求，但是当前很多消防水系统仍然采用传统的供水方式，这些传统方式多为水塔或者高位水箱供水，利用重力作用实现供水，也有采用气压罐的方式，利用气压力来实现消防供水。这些传统的供水方式有很多缺点，主要体现在设施的占地面积过大，进行设施建设时也需要投入大量的资金，在投入使用以后维护时也需要耗费大量的人力物力。
随着技术的发展，变频技术在工业生产当中得到了广泛的应用，也为解决消防水的稳压控制系统提供了解决方案。作为出现在二十世纪下半期的变频技术，其综合了电力电子和计算机领域的技术，将控制技术向前推动了一大步[1]。变频技术具有传统交流系统无法比拟的优点，主要体现在可以实现宽范围的连续调速控制，并且可以对速度进行高精度的控制；另外变频器的自我保护功能强大，可以实时监测各种故障，在遇到故障时自动封锁输出电压，实现自我保护，同时也对电机起到了一定的保护作用[2]。在使用变频器实现交流电机控制时，通常会遇到控制算法的选择，而在实际的工业生产生活中通常会选择PID控制算法，这是由于PID具有算法简单，使用方便，利用比较简单的硬件和软件就可以实现。在消防水控制系统中，将PID控制算法融合到变频器中来实现供水系统的闭环控制，实现消防供水系统的压力稳定，可以较好地满足实际需求[3]。
2 基于变频调速的消防水稳压控制系统的结构和工作原理
利用变频器进行消防水稳压控制的系统结构如图1所示。PID控制算法是融合变频器中的，由生产厂家在生产时将PID程序固化到变频器的控制芯片中。该控制系统的控制对象是消防系统管网的水压，目的是使得管网的实际水压能够实时地跟随期望的水压。一般来讲，在实际的控制应用中，目标水压都是一个常数或者是在不同的时间段内取不同的常数值，所以消防水稳压控制的目标就是在某个时间段内使得实际的水压稳定在某个常数值上。
图1 基于变频器的消防水稳压控制系统结构图
作为一种线性控制器，PID控制器包括比例环节、积分环节和微分环节。PID控制器的比例环节反映的是控制器当前偏差的作用，可以使得系统在偏差产生时就立即产生作用，但是比例环节无法处理历史偏差的累积，也就是比例环节并不能消除偏差，而且比例系数过大时系统会发生震荡；为了彻底消除历史偏差，就需要加入积分环节，积分环节的主要作用是消除静差，积分时间常数越大，积分作用也就越弱，这会导致系统的超调量增大，但是过小的积分常数会导致系统震荡；微分环节的作用是对偏差的发展趋势做出反应，加快系统的响应速度。在图1的控制系统中，变频器（包括PID控制器）、水压传感器、交流电机（水泵）等构成了一个闭合回路。其工作流程可以描述为：根据实际的需要设计目标水压，将此目标值与水压传感器测量的实际水压做差，得到的偏差作为PID控制器的输入信号，经过比例环节、积分环节及微分环节的共同作用得到输出量，变频器根据这个输出量对交流电机输出相应的频率，使得电机的输出速度发生变化，调整水泵的输出速度，不断地减小实际水压和目标水压之间的差值，进而满足恒压要求。
3 消防水稳压控制系统的具体设计实现
由对图1的分析可知，变频器、水压传感器、水泵是消防水稳压控制系统的主要元件，为了实现稳压控制的目标，就必须合理选择这几个元件。通常来讲在选择水泵时，要考虑水泵抽水流量和水泵供水总扬程这两个指标，选型的步骤可以概括为两步：估计水泵的总扬程，这可以将地形扬程、管道阻力扬程、水泵管道扬程以及设备扬程等相加得到；第二步是根据计算出的总扬程和所要求的流量表来进行具体选型。本设计中的消防泵是450kW，消防泵系统的稳压泵22kW。整个系统有专门的消防泵，但是消防泵平常不工作，仅仅是稳压泵工作。本设计中为了使得稳压泵稳定高效地工作，为其设计了变频稳压系统。本文根据选型的步骤，选择的水泵型号为IS65-40-250A。选择变频器时是根据变频器容量、额定电流等参数进行选择的，本文根据实际的需求进行相应的计算，最终选择了ABB公司的ACS800，该变频器内置了PID控制器的控制参数，在使用时可以根据实际需求进行调节。水压传感器的作用就是利用内部的膜片将水压转为为电信号，最终输入到变频器中。实际应用中水压变送器的工作环境是比较恶劣的，为了保证消防水稳压系统的长期有效运行，这里选择采用电接点压力表。本文中的消防水稳压控制系统中的输入输出节点比较少，因此本控制系统的也可以借助于水压变送器来实现水压采集信号的传送和对变频器的信号输入。
本控制系统的电气接线流程可以概括为：电接点压力表—变频器—水泵电机—管网—电接点压力表。在变频器的线路装配时，需要注意的事项是：变频器和交流电机都必须安全接地；使用中间断路器来连接变频器和电源；要使用浪涌接收器来降低电磁干扰。经过元件选型和合理的接线后就可以进行试验了。本文设计的稳压消防水控制系统经过长时间的试验发现，管网的水压能够比较稳定地处于目标水压附近，而且供应平稳，大大减少了电能消耗。实验结果说明了本文所设计的专用的消防水稳压控制系统根据目标水压和实际水压来改变水泵的转速，实现了水压的闭环反馈控制，而且操作非常简单，降低成本，并且系统的可靠性也得到了很好地保证。
4 总结
本文借助于变频技术来实现消防水稳压控制系统的设计，与传统的阀门调节方式比较，大大节省了电力，并且控制效果更好，可靠性更高。此外，变频调节技术可以使得水泵启动比较平稳，减小了对电网的冲击，对水泵和阀门等起到了保护作用，也可以很好地解决传统恒压供水系统中存在的水锤效应。
参考文献：
[1]石秋洁.变频器应用基础.北京：机械工业出版社，2007.
[2]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报，2000（1）：84-88.
[3]陈新恩.变频恒压供水系统PID控制研究.机床电器，2007.
【关键词】消防水稳压控制系统；变频技术；PID控制
1 引言
随着经济的发展和生产规模的扩大，企业对消防供水系统的要求越来越高。在突然出现火灾时，如果消防供水系统无法迅速有效地提供消防用水，将会对企业造成严重的经济损失，也会对员工的生命安全构造很大威胁，这就对消防水的控制系统提出了很高的要求，但是当前很多消防水系统仍然采用传统的供水方式，这些传统方式多为水塔或者高位水箱供水，利用重力作用实现供水，也有采用气压罐的方式，利用气压力来实现消防供水。这些传统的供水方式有很多缺点，主要体现在设施的占地面积过大，进行设施建设时也需要投入大量的资金，在投入使用以后维护时也需要耗费大量的人力物力。
随着技术的发展，变频技术在工业生产当中得到了广泛的应用，也为解决消防水的稳压控制系统提供了解决方案。作为出现在二十世纪下半期的变频技术，其综合了电力电子和计算机领域的技术，将控制技术向前推动了一大步[1]。变频技术具有传统交流系统无法比拟的优点，主要体现在可以实现宽范围的连续调速控制，并且可以对速度进行高精度的控制；另外变频器的自我保护功能强大，可以实时监测各种故障，在遇到故障时自动封锁输出电压，实现自我保护，同时也对电机起到了一定的保护作用[2]。在使用变频器实现交流电机控制时，通常会遇到控制算法的选择，而在实际的工业生产生活中通常会选择PID控制算法，这是由于PID具有算法简单，使用方便，利用比较简单的硬件和软件就可以实现。在消防水控制系统中，将PID控制算法融合到变频器中来实现供水系统的闭环控制，实现消防供水系统的压力稳定，可以较好地满足实际需求[3]。
2 基于变频调速的消防水稳压控制系统的结构和工作原理
利用变频器进行消防水稳压控制的系统结构如图1所示。PID控制算法是融合变频器中的，由生产厂家在生产时将PID程序固化到变频器的控制芯片中。该控制系统的控制对象是消防系统管网的水压，目的是使得管网的实际水压能够实时地跟随期望的水压。一般来讲，在实际的控制应用中，目标水压都是一个常数或者是在不同的时间段内取不同的常数值，所以消防水稳压控制的目标就是在某个时间段内使得实际的水压稳定在某个常数值上。
图1 基于变频器的消防水稳压控制系统结构图
作为一种线性控制器，PID控制器包括比例环节、积分环节和微分环节。PID控制器的比例环节反映的是控制器当前偏差的作用，可以使得系统在偏差产生时就立即产生作用，但是比例环节无法处理历史偏差的累积，也就是比例环节并不能消除偏差，而且比例系数过大时系统会发生震荡；为了彻底消除历史偏差，就需要加入积分环节，积分环节的主要作用是消除静差，积分时间常数越大，积分作用也就越弱，这会导致系统的超调量增大，但是过小的积分常数会导致系统震荡；微分环节的作用是对偏差的发展趋势做出反应，加快系统的响应速度。在图1的控制系统中，变频器（包括PID控制器）、水压传感器、交流电机（水泵）等构成了一个闭合回路。其工作流程可以描述为：根据实际的需要设计目标水压，将此目标值与水压传感器测量的实际水压做差，得到的偏差作为PID控制器的输入信号，经过比例环节、积分环节及微分环节的共同作用得到输出量，变频器根据这个输出量对交流电机输出相应的频率，使得电机的输出速度发生变化，调整水泵的输出速度，不断地减小实际水压和目标水压之间的差值，进而满足恒压要求。
3 消防水稳压控制系统的具体设计实现
由对图1的分析可知，变频器、水压传感器、水泵是消防水稳压控制系统的主要元件，为了实现稳压控制的目标，就必须合理选择这几个元件。通常来讲在选择水泵时，要考虑水泵抽水流量和水泵供水总扬程这两个指标，选型的步骤可以概括为两步：估计水泵的总扬程，这可以将地形扬程、管道阻力扬程、水泵管道扬程以及设备扬程等相加得到；第二步是根据计算出的总扬程和所要求的流量表来进行具体选型。本设计中的消防泵是450kW，消防泵系统的稳压泵22kW。整个系统有专门的消防泵，但是消防泵平常不工作，仅仅是稳压泵工作。本设计中为了使得稳压泵稳定高效地工作，为其设计了变频稳压系统。本文根据选型的步骤，选择的水泵型号为IS65-40-250A。选择变频器时是根据变频器容量、额定电流等参数进行选择的，本文根据实际的需求进行相应的计算，最终选择了ABB公司的ACS800，该变频器内置了PID控制器的控制参数，在使用时可以根据实际需求进行调节。水压传感器的作用就是利用内部的膜片将水压转为为电信号，最终输入到变频器中。实际应用中水压变送器的工作环境是比较恶劣的，为了保证消防水稳压系统的长期有效运行，这里选择采用电接点压力表。本文中的消防水稳压控制系统中的输入输出节点比较少，因此本控制系统的也可以借助于水压变送器来实现水压采集信号的传送和对变频器的信号输入。
本控制系统的电气接线流程可以概括为：电接点压力表—变频器—水泵电机—管网—电接点压力表。在变频器的线路装配时，需要注意的事项是：变频器和交流电机都必须安全接地；使用中间断路器来连接变频器和电源；要使用浪涌接收器来降低电磁干扰。经过元件选型和合理的接线后就可以进行试验了。本文设计的稳压消防水控制系统经过长时间的试验发现，管网的水压能够比较稳定地处于目标水压附近，而且供应平稳，大大减少了电能消耗。实验结果说明了本文所设计的专用的消防水稳压控制系统根据目标水压和实际水压来改变水泵的转速，实现了水压的闭环反馈控制，而且操作非常简单，降低成本，并且系统的可靠性也得到了很好地保证。
4 总结
本文借助于变频技术来实现消防水稳压控制系统的设计，与传统的阀门调节方式比较，大大节省了电力，并且控制效果更好，可靠性更高。此外，变频调节技术可以使得水泵启动比较平稳，减小了对电网的冲击，对水泵和阀门等起到了保护作用，也可以很好地解决传统恒压供水系统中存在的水锤效应。
参考文献：
[1]石秋洁.变频器应用基础.北京：机械工业出版社，2007.
[2]崔金贵.变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨.兰州铁道学院学报，2000（1）：84-88.
[3]陈新恩.变频恒压供水系统PID控制研究.机床电器，2007.