浅谈水泵恒压供水控制技术

王小龙

（宁波宝新不锈钢有限公司设备部，浙江宁波 315807）

0 引言

宝新不锈钢公司的自来水加压泵站是把站内水池储存的城市自来水用供水泵加压向管道供水，各用户点从供水管道上取水。各用户点不仅有生活用水，也有生产用水，所以对供水压力有一定要求。

1 设备状况

自来水加压泵站共有4 台供水泵：2 台供水泵扬程为40 m、功率为18.5 kW、流量为100 m3/h，另2 台水泵扬程为40 m、功率为11 kW、流量为50.4 m3/h。自来水水池容积为432 m3。站房要求供水压力0.35 MPa，供水最大流量200 m3/h。

自来水加压泵站的供水对象包括：①生产机组。设备冷却用水，用水量60 m3/h，无规律；②生活用水。包括食堂、浴室、厕所。食堂用水主要集中在每天9：00～11：00，15：00～17：00，21：00～23：00，用水量为60 m3/h；浴室用水主要集中每天下班前的14：30～15：30，16：00～17：00，22：30～23：30，6：00～7：00，用水量为80 m3/h。

站房电气主回路如图1，控制逻辑：每台供水泵既可变频器控制，也可工频控制，具体控制方式由PLC 通过反馈的水压大小来判断。

图1 站房电气主回路

2 工作原理

站房4 台供水泵可以工频运行，也可以变频器控制，由PLC控制4 台泵的运行，控制功能图（图2）。

在自动模式下，PLC 对比设定供水压力与实际供水压力，通过变频器启动第一台供水泵；当供水泵达到全速运行后，如果供水压力仍达不到设定压力值时，PLC 会自动将该供水泵由变频运行切换到工频运行，然后由变频器自动启动第二台供水泵；当供水压力偏高且变频器处于设定的下限频率运行时，第一台工频运行的供水泵电机将自动停机；如果供水压力再次达不到设定压力值时，PLC 会自动将变频运行的供水泵切换至工频运行，然后再次变频启动另外一台处于变频状态的备用泵；以此顺序运行，直到出口压力达到设定的要求值。

图2 控制功能图

在手动模式下，根据压力现场手动启动单台供水泵，并且可以设定是由工频启动还是由变频启动。

3 供水问题

自来水加压泵站为1#和2#食堂、1#和2#浴室、1#和2#办公楼提供生活用水，为3#酸洗机组提供生产用水。站房供水压力设定值为0.35 MPa，供水泵由变频器控制直接供应用户，由于用水点多，用水时间无规律，供水量很不均匀，供水流量曲线呈现从（0～110）m3/h 不等的锯齿波状。为保证供水压力，供水泵开启台数较多，供水压力长期达到0.44 MPa（图3），能量浪费严重。

供水压力≤0.38 MPa 时，运行1 台水泵；水压达到0.45 MPa 左右时，运行2 台水泵，使供水管道长期达到高水压，也是一种能源浪费。

图3 改造前供水流量及供水压力曲线

4 原因分析

用户使用量为（0～110）m3/h，1 台水泵流量为100 m3/h，现在站房经常自动开启2 台水泵，额定流量为150 m3/h 或200 m3/h，致使供水压力长期达到0.44 MPa，超过设定0.09 MPa，对供水管道是一种损害。

分析变频器的工作模式，站房变频器使用西门子公司产品（MICROMASTER 430），控制方式为带抛物线特性的（平方特性）的V/f 控制（P1300=2），此控制模式的经验曲线为向下的抛物线（图4）。

图4 控制模式曲线

当用水量增大、供水管道压力减小时，变频器开始升频，开始时水泵的转速不但不增大，反而有所减小，对外表现的现象是升速响应慢。压力不够时，马上再启动一台水泵。

变频器的主要参数：

P1300=2

变频器控制方式选择为带抛物线特性（平方特性）的V/f 控制

P1310=50 连续提升值为50

P0304=380 V 电动机额定电压

P1316=16 提升结束点的频率

P0310=50 电动机额定频率

P1080=35 最低频率

P1082=50 最高频率

5 改进措施

为让变频器随供水管道水压变化的响应时间加快，供水管道水压紧盯变频器设定压力0.35 MPa，改变变频器的控制模式，使变频器由原来带抛物线特性（平方特性）的V/f控制改为采用PID 控制方式。

根据生产用户要求，把设定的控制压力设定为0.35 MPa，通过调节PID 参数使站房出口压力维持在设定压力附近（图5）。

图5 压缩空气压力PID 曲线

通过控制PID 的参数：增益Δ，积分时间T1和微分时间T2，使实际水压实时响应紧跟设定值，达到无论外界用水量怎样变化，始终保持水压值稳定（图6）。

变频器的主要参数：

P2253＝2250 已激活的PID 设定值

P2240＝35%

P2280＝3 PID 比例增益系数

P2285＝5 s PID 积分时间

P2291＝100 PID 输出上限

P2292＝60 PID 输出下限

r2294 实际的PID 输出

r752 是反馈信号输入值，压力数据通过r0752可以读取显示；r2266 压力数据读取显示,

P2264＝755.0 模拟量输入1 设定值,压力信号直接接入3 端＋和4 端－（755.1 为模拟量输入2，接入10 端＋和11 端－）

6 效果

6.1 供水曲线如图7

6.2 经济效益

图6 PID 功能参数图

图7 改造后供水流量及供水压力曲线

变频器参数改造前，自来水加压泵站经常运行2 台泵（1 台工频＋1 台变频）；变频器参数改造后，自来水加压泵站只运行1 台泵（变频）就可以满足需要。

经统计改造前2 个月内的耗电量为43 199kW·h，每小时消耗电能＝43199÷60÷24＝29.999 度≈30.0 kW·h；

改造后2 个月内的耗电量为8044kW·h，每小时消耗电能＝8044÷60÷24＝5.586 度≈5.6 kW·h。即实施前每小时耗电量30.0 kW·h，实施后每小时耗电量5.6 kW·h。

公司每度电平均电价0.7 元/kW·h，年直接经济效益＝（实施前每小时耗电量－实施后每小时耗电量）×24 h×365 天×公司每度电平均电价－开发费用＝（30.0－5.6）×24×365×0.7＝14.9 万元

7 供水安全

自来水加压泵站的控制思想如下：取供水管道的压力信号P（如图8），通过压力控制器设定供水压力值（设定值为0.35 MPa），传输给PLC，由PLC 送信号给变频器，变频器采用PID 控制模式，控制1#水泵的运行。由于用水点多，用水时间无规律，供水量很不均匀，供水流量曲线呈现从（0～110）m3/h 不等的锯齿波状波动。特别是员工下班洗澡的高峰时间，浴室的用水量增加很多，会使站房供水压力降到0.28 MPa 以下约60 min；而且夏季发生雷击时，由于PLC 或变频器的自身保护，PLC 或变频器会发生停运现象，将使自来水加压泵站停止供水，导致机组停机。

当自来水使用量波动大和PLC 或变频器故障时，为增强自来水加压泵站对外供水压力的安全稳定性，单独增加1 路独立的电气控制线路（如图9）：

图8 改造前供水管道的压力信号控制图

图9 改造后供水管道的压力信号控制图

在压力控制器上设置低水压报警点（0.28 MPa），当低水压报警时，输出1 个信号，不经过PLC 和变频器，直接自动控制另一台水泵(如2#泵)的起动，而此水泵的停运需要人工确认。

实施后效果：

（1）当外界使用量大而供水压力比较低时，自动开启另一台水泵。

（2）当变频器或PLC 出现故障时，自动开启另一台水泵。

8 初次变频器的安装及参数设置

变频器（型号：MICROMASTER 430）的压力输入信号为二线制（4～20）mA（如图10），变频器电气主回路连接的是三相异步电动机，

变频器外部信号接线图及各外部端子的接法：

18#端子左边的AN1、AN2 拨码开关拔到ON，表示输入的信号为（0～20 ）mA 的模拟量信号；

9#端子＝24 V，28#端子＝0 V 28#端子与11#端子短接；

水泵压力信号接入3#端子＋和4#端子－（参数设置P2264＝755.0 输入为1 时）；水泵压力信号接入10#端子＋和11#端子－（参数设置P2264＝755.1 输入为2 时）。

图10 变频器外接线图

5#端子连接“接通正转/停车命令”（参数设置P0701＝1）

6#端子连接“固定频率设定值(直接选择)”（参数设置P0702＝15）

7#端子连接“故障确认”

26#端子连接“变频器故障”（参数设置P0731＝52.3）

27#端子连接“变频器报警”（参数设置P0732＝52.7）

28#端子连接“变频器故障”（参数设置P0733＝52.3）

9 参数设置

PID 控制功能图（图11）

图11 PID 控制功能图

遵照PID 的原理控制图，其参数如下：

P0700＝2 由端子排输入

P0701＝1

ON/OFF1（接通正转/停车命令1）变频器外部输入端子5

P0702＝15

固定频率设定值（直接选择）变频器外部输入端子6

P0703＝9 故障确认 变频器外部输入端子7

P0731＝52.3 变频器故障 变频器外部输出端子26

P0732＝52.7 变频器报警 变频器外部输出端子27

P0733＝52.3 变频器故障 变频器外部输出端子28

P756＝2 选择（0-20）mA 输入

P757＝4 最小值4 mA

P759＝20 最大值20 mA

P761＝4 死区为4 mA

P1000＝1 频率设定的选择 即为面板

P2200＝1 允许PID 进行闭环控制

P2231＝1 PID 设定值的保存

P2240＝35%

PID-MOP 面板的设定值，允许用户以［%］值的形式 设定的PID 设定值 表示3.5 kg 压力

P2253＝2250 已激活的PID 设定值

P2257＝2S 加速时间

P2258＝2S 减速时间

P2264＝755.0

模拟量输入1 设定值,压力信号直接接入3 端＋和4 端－（755.1 为模拟量输入2，接入10 端＋和11 端－）

P2280＝3 PID 比例增益系数

P2285＝5 s PID 积分时间

P2271＝0 反馈信号加大,电机减速,恒压供水

P0757［2］＝4 标定ADC 的x1 值［V/mA］

P075［2］＝0 标定ADC 的y1 值（表示4 mA 对应的压力占压力表量程的百分比）

P0759［2］＝20

标定ADC 的x2 值［V/mA］

P0760［2］＝100

标定ADC 的y2 值（表示20 mA 对应的压力占压力表量程的百分比）

P2265＝0.1 PID 反馈滤波时间常数

P2269＝100

PID 反馈信号的增益

P2267＝100

PID 反馈信号的上限值

P2268＝0

PID 反馈信号的下限值

P2291＝100 PID 输出上限

P2292＝60 PID 输出下限

P2293＝3 PID 限幅值的斜坡上升/下降时间

以下为选用参数：

r752 是反馈信号输入值，压力数据通过r0752 可以读取显示；r2266 压力数据读取显示,

r2272 PID 反馈值读取显示，用户以[%]值的形式显示,如果没有或0，可能是输入信号有问题，检查输入信号。

r2262 显示PID 设定值，允许用户以[%]值的形式显示

r2294 CO:实际的PID 输出

P2264＝755.0 如果模拟量输入是1 即3+4-设定值为P2264＝755.0

P2269 PID 反馈信号增益，默认值为100%，注意要看P2272 是多少；如果P2272≤10，建议用10%，那么P2240 的设定值为如上的35%。否则P2272 如果≤10，默认值为100%，那么P2240 的设定值也是对应的为≤10。

10 推广

随着变频器和PLC 技术的飞速发展，其应用面广、功能强大、使用方便的特点，使其成为当代工业自动化的主要装置之一，在工业生产领域得和民用和家庭自动化的应用得到迅速的发展。

由于变频调速技术和可编程程序控制器的应用灵活方便，在恒压供水系统中亦得到广泛的应用。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，提高系统的工作稳定性，得到良好的控制效果以及明显的节能效果。

11 结束语

该系统采用PLC 和变频器结合，系统运行稳定安全可靠，实现真正意义上的无人职守，保证各水泵运行效率的最优，消除了启动大电流冲击，从而可延长泵的使用寿命，可以消除启动和停机时阀门的水锤效应。该控制系统可以是大型公共社区如高校、居民小区等处的性能、价格比较高的优选方案。