扬水泵站变频变压供水自动调配系统

李晓刚

(宁夏回族自治区水利工程建设中心，宁夏 银川 750000)

扬水泵站的供水质量直接关系到周围居民的生活水平以及周围企业的生产线效率，为了满足安全、稳定和经济可靠的要求，扬水泵站必须引入更加智能、现代化的综合自动化系统，实现对供水的自动调配[1]。当前，大部分扬水泵站中供水系统采用变频调速的恒压控制策略，在满足用水用户需求的同时，不仅节省水资源运输的费用，同时还能够在一定程度上减少水资源在运输管道中的渗漏量，进一步实现对故障发生概率的控制，减少用于供水系统的维护成本[2]。但由于当前用户对于用水量的需求不断增加，水资源运输管道在实际应用中受到一定的阻碍和影响。在用水高峰时段中，运输管道中水流极大，管阻不断增加。与扬水泵站距离较近的用户用水需求能够很好地满足，但距离较远的用户为其提供的供水压力偏低，很难达到用户的预期供水要求。但在用水低谷时段，距离扬水泵站较近的用户水压又会出现偏高的问题，造成管网的渗漏率不断增加，严重影响到扬水泵站的正常输水和运行[3]。因此，当前急需一种能够根据不同时段用户用水需要对管道输水压力进行自适应调节的供水调配系统。基于此，本文开展扬水泵站变频变压供水自动调配系统设计研究。

1 扬水泵站变频变压供水自动调配系统硬件设计

根据扬水泵站的总控室、水厂区和水源区3个组成部分，对变频变压供水自动调配系统的硬件组成进行设计，如图1所示。

图1 本文系统硬件结构组成示意图

根据功能对系统硬件结构划分为监控区域、水厂区域、水源区以及无线通信。其中监控区域主要由工业控制上位机、PLC可编程逻辑控制器、多个通信传输电台以及UPS电源等硬件组成。在这一结构中，主要针对扬水泵站现场各类终端数据的实时采集、检测和控制，并将系统以及扬水泵站在运行过程中产生的相关数据进行存储和打印，方便后续维护和管理[4]。水厂区域结构是将水源地输送的水资源蓄积在蓄水池当中，利用系统当中的上位机对该区域蓄水池当中的水位进行实时监测。现场终端结构主要核心为PLC控制器，实现用户对现场各类数据的采集、转换、存储和报警等功能。同时，该现场终端可通过无线信道的方式将各类数据进行远程传输。综合本文调配系统的应用需要，主要针对系统硬件结构当中的PLC控制器和供水专用变频器进行选型优化。

1.1 供水专用变频器选型

为实现对扬水泵站供水的变频和变压供水调配控制，首先针对系统硬件当中的供水专用变频器进行选型优化。选择的水泵专用变频器在设计研发阶段将低噪声控制作为目标，应用到本系统中，不仅可以在某种程度上降低由于噪声问题带来的运行干扰，同时也可以通过此种方式，避免其运行对系统内其他硬件结构的持续运行造成干扰[5]。在此基础上，可在硬件结构中，增设一个可满足高频谐波电流抑制的DC端子，将端子的终端接口与EMC通信端口进行对接，以此可充分满足系统在运行过程中的EMC指令控制需要。该水泵专用变频器相关技术指标参数见表1。

表1 水泵专用变频器技术指标表

除表1中技术指标参数以外，变频器内部装有用于实现对控制电源辅助的输入电路，在运行过程中，主电源发生意外断开，变频器依然能够保持对异常输出信号的传输，进一步提高本系统的运行稳定性。在实际应用中，若系统运行存在负载过大的情况，则可通过对该水泵专用变频器不跳闸继续运动的状态实现对系统的保护。

1.2 PLC选型

针对不同类型PLC可编程逻辑控制器的容量、结构形式、性能等，按照本系统运行需要和经济成本要求等众多因素考量，选择的核心控制器与其他系列相比更小，并且是用于各个行业当中，可针对不同场合的检测、控制、调配等进行自动化控制。同时，指令集更加丰富，并且容易掌握，操作更加边界[6]。在对其的实际应用中，可实现对扬水泵站32个模块的操作控制。同时，在运行过程中，不需要使用风扇设备，进一步缩短本文系统开发的经济成本。在实际应用中，能够在0.5～1.0ms时间范围内对高达1024条二进制语句进行处理，从而进一步提高本系统的调配控制效率。由于在应用时二进制命令较为少见，因此根据系统运行特点，为控制器提供混合操作，利用55%的二进制语句与45%自操作语句构成一个完整的控制语句。

根据调配系统的信号传输需要，考虑到现场终端测控开关输入信号、模拟量输入输出信号的传输特点，在对控制器的数字量输入扩展电源进行选择时，选用EM224、EM234和EM235作为模拟量扩展单元。由于在后续扬水泵站不断运行和发展中，用户的用水需求会进一步提高，需要对调配系统进行不断地优化和创新[7]。因此，在选择控制器时，对其容量的考量还需要结合系统上位机用户存储器的内存容量以及控制点的数量两个方面因素，选择时留有适量余量，为系统优化升级提供便利条件。

2 扬水泵站变频变压供水自动调配系统软件设计

2.1 扬水泵站流量调节设计

针对扬水泵站的运行特点，在调配系统中引入两种不同的流量调节方法，分别为调速调节和变径调节。第一种调节方式可通过改变扬水泵站中水泵运行转速，使水泵的流量发生改变[8]。这种调节方式在实际应用中具有能耗小，综合效益高的优势。另一种调制方式为流量调整，在此过程中，可通过切削的处理手段，对其流量的输入与输出进行同步调控，相比第一种调节方式，此种方式的操作更为便捷，且具有成本低的显著优势。综合上述两种调节方法的需要，首先在调配系统中对其液力耦合器的速度进行控制。为了能够在应用液力耦合器的过程中，实现变速效率的进一步提升，本文采用热回收措施，将油温的冷却热量进行二次利用。结合各项参数对调配系统当中的交流电动机转速进行计算，其公式为：

(1)

式中，n—终端电动机在单位时间内的运行转速；f—交流电动机电源运行频率；p—设备运行极对数；s—转差率。

根据公式(1)可知，通过调节f与p，可实现对终端设备运行的有效控制。因此，为实现系统对水泵交流电动机的可控，可采用液力耦合、变频调速等方式，实现调速目的。为确保系统在运行过程中具有更高的应用优势，选择将两种调速方式各项性能进行综合对比，结果见表2。

表2 液力耦合与变频调速方式应用性能对比

综合表2中两种调速方式的应用性能对比结果可以看出，在系统当中应用变频调速方式能够达到最佳的调配效果。同时，在实际应用中，还需要考虑到扬水泵站的节能要求，绝大部分时间内，用户用水量均小于设计初期的流量，而水泵在小流量状态下工作时，存水泵特性曲线特点，其表达式为：

H=Hx-SxQ2

(2)

式中，H—扬水泵站的水泵扬程，m；Hx—扬水泵站水泵虚总扬程，m；Sx—水泵虚总内耗；Q—水泵实际出水量,m3/s。

从公式(2)可知，当终端水泵的出水量呈现一种持续上升的趋势时，水泵的工作扬程会随之出现明显的增涨趋势，导致水泵的大部分运行过程，均处于扬程过剩的状态，会对水资源造成严重的浪费。因此，针对这一问题，在实现对扬水泵站流量调节时，引入调速技术，使水泵的流量以及扬程能够根据用户的实际用水变化进行自动调整，从而达到节能的效果。

2.2 水泵变频变压调速控制

针对扬水泵站的调速控制对于减少能源消耗而言具有十分重要的意义，因此为实现对扬水泵站的调速控制，本文引入变频变压调速思路[9- 10]，在调配系统当中利用上述选择的水泵专用变频器，对水泵进行调速控制。首先，针对变频器的容量参数进行控制，其计算公式为：

P=KP′/(ηcosφ)

(3)

式中，P—系统当中水泵专用变频器的容量大小，kW；K—变频器在运行过程中的安全系数；P′—电机负载，kW；η—电动机的运行效率；φ—电动机运行时的功率因素。

在对水泵进行变频变压调速控制的过程中，可采用大泵调速，小泵恒速和小泵调速，大泵恒速两种调速控制方法。将标准供水量设置为W，在利用第一种方法进行调速控制时，当扬水泵站的水量小于W，则此时由调速泵单独完成运行；当用水量超过W，则由调速泵和恒速泵同时并联运行。在利用第二种方法进行调速控制时，在此基础上，需要增设一个W′参数，将此数值作为W的中间值，针对W′的调速，可由泵结构独立操作完成，在此过程中，当W′>W时，便可以认为此时调节泵处于一种并联运行状态。同时，在实际应用调配系数时，可将Cohen模型引入到对水泵流量计算，并对流量与实际并联特性差异进行分析，通过对比Cohen模型得出的多个输出结果，不断优化水泵调速的适用范围，并得出流量偏差优化模型，从而将该模型作为依据，实现对水泵的科学调速。

2.3 基于改进模糊算法的自动预估补偿调配处理

由于扬水泵站的运行特点，在利用调配系统对其进行供水控制时常常会出现被控制对象出现滞后现象，使得其后续相应的相位同样出现滞后现象[11]。随着时间的不断增加，其相位滞后量也随之不断增加，严重影响到调配系统的运行稳定性，并会造成超调或振荡的问题，最终导致扬水泵站的供水质量降低。因此，针对这一问题，本文引入改进模糊算法，对调配系统进行自动预估补偿调配处理，其补偿流程为：利用改进模糊算法原理给被控扬水泵站并联一个补偿环节，用于对被控扬水泵站出现的滞后部分进行补偿，其表达式为：

(4)

式中，G(s)—被控扬水泵站当中不含滞后部分的传递函数；M—补偿系数；Ts—补偿量。

根据上述公式，在系统当中引入一个Smith预估模块，利用该模块与传递函数共同构成一个补偿回路。经过该补偿回路的补偿操作，系统当中的滞后部分在闭环控制回路以外，从而无法影响到本文调配系统的运行稳定性。

3 实验论证

本文提出一种针对扬水泵站变频变压供水的自动调配系统，并从硬件和软件角度实现对其理论层面设计，为进一步验证本文设计的调配系统能够在实际扬水泵站当中具备良好的应用，与传统基于PID控制器的调配系统同时应用到相同的扬水泵站运行环境当中，分别对其供水进行调速控制。选择以某地区扬水泵站改造工程作为实验依托环境，该项目中涉及的输水区域成狭长条状分布，东西方向长度约为2.36km，南北方向长度约为12.36km，通过对该扬水泵站输水区域近几年的情况记录得出，该扬水泵站输水范围内平均日综合用水量为320L·人-1·d-1，区域周围输水管道等级在DN200级以上的管道总长度约为43km，输水覆盖面积为12.6km2，用水用户超过25万人。分别选择该扬水泵站输水范围内的五个用户用水区域，其距离扬水泵站总站的距离分别为1、5、10、15、20km，分别利用本文提出的调配系统和传统调配系统对扬水泵站供水进行控制，对比上述5个不同区域内的供水量与实际所需情况，得到实验结果见表3。

表3 两种调配系统实验结果对比表

从表3得出的实验结果可以看出，本系统调配供水量在各个距离上均满足实际用户用水需求量，而传统系统无法达到这一效果。因此，通过实验证明，本文提出的调配系统能够充分满足用户用水需要，并且减少需水量小时能源的消耗，达到节能效果。

4 结语

当前急需根据不同时段用户用水需要，对管道输水压力进行自适应调节的供水调配系统。本文通过开展对扬水泵站供水调配系统的研究，提出一种变频变压式供水自动调配系统的设计思路，对该系统分别进行硬件和软件的设计，对扬水泵站现场各类终端数据进行实时采集、检测和控制，在调配系统中引入调速调节和变径调节两种流量调节方法，引入变频变压调速思路，实现对扬水泵站的调速控制，并将该设计思路应用于实际扬水泵站当中，能够节省各类能源，进而提高水厂整体效益。在今后的发展中，可引入先进技术，实现供水的智能调配。