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高压变频器双闭环优化供水控制应用
技术服务中心杨晓明
摘要：随着高压变频器技术的不断发展和成熟，高压电机恒压供水已成为一种自动控制的发展趋势。为了保证不利点压力恒定和管网供需平衡，采用双闭环优化供水控制方案。利用压力传感器检测管网的实际压力，采用GPRS无线传输技术检测不利点压力信号。根据设定的压力闭环优化调节变频的输出保证恒压供水控制。
关键词：高压变频器恒压控制PID调节双闭环
一、概述
水泵作为供水工程中的通用机械，消耗着大量的能源，电耗往往占制水成本的60%以上，在我国每年水泵的电能消耗占电能总消耗的21%。为了节约降耗，必须采取调节措施使泵站适应负荷变化的运行。
抚顺自来水公司于2008年陆续在各大水厂使用高压变频调速装置（如图1所示）。投运以来，设备运行稳定。但目前国内变频器在供水行业的应用中由于供水管网的复杂运行情况，都是处于开环控制运行，没有真正的实现实时压力闭环调速控制。实际情况是，管网需要调节水压时，值班人员需要到变频器上调节运行频率，而自来水供水负荷变化很不稳定以至每天要反复到变频器前操作，操作起来非常不便，这种半自动化控制没有充分的利用好变频器的节能功能，鉴于此，为了提高供水设备自动化水平，为了真正的做到既保证供水又节能降耗，供水行业应根据自身运行特点实现变频器恒压闭环控制。

图1现场变频器与水泵图片
二、变频恒压供水原理
所谓恒压供水是指用户端不管用水量大小，总保持管网中水压基本恒定。这样，既可满足各地区的用户用水量的需求，又不使电动机空转，造成电能的浪费，还保障管网运行平稳。为实现上述目标，需要变频器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。
设备投入运行前，首先根据水厂的运行经验设定设备的工作压力等相关运行参数，设备运行时，由压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化信号，并将其转换为模拟量信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，如果实际压力比设定压力低，则发出指令控制水泵加速运行，如果实际压力比设定压力高，则控制水泵减速运行，当达到设定压力时，水泵就维持在该运行频率上。
荣信公司率先在国内供水行业采用“基站式”无线压力控制系统。如图2所示。利用压力传感器检测管网终端的实际压力，采用GPRS无线传输技术把压力信号从远方传到变频控制系统中。根据设定的压力闭环调节变频的输出保证恒压供水控制。

图2远程压力闭环反馈示意图
三、恒压供水方案比较
变频调速恒压供水系统可根据管网瞬间压力变化，使管网主干管出口端保持在恒定的设定压力值。实现压力恒定最常用PID控制、分时定压、压力分段控制经过在各水厂的反复实地试验，这三种单一的控制模式很难满足抚顺自来水公司供水复杂负载的需求。最终根据管网的实际情况采用系统设为双闭环优化控制方案，此方案既保证能够适应生产的需要，又在实际设备运行中最大限度实现自动化控制。具体几种恒压供水的方案比较如下：
3.1单点压力闭环控制
设置单点出口压力给定，根据压力反馈实时调节出口水压，保证管网压力稳定，调节方便快速。首先，系统采用管网最不利点单点做为反馈，通过监测最不利点的压力变化并将其反馈到变频器实时调节机泵运行状态，这样既保证供水，又不浪费多余电能，达到机泵运行与管网的统一，而这一方案运用到河北水厂实际运行情况没有达到理想的效果，在河北水厂试运行期间选取的是该水厂常年的管网最不利点实现单点压力闭环控制，但最不利点的用水情况复杂水量、水压的随机变化反应周期长，会有大量用水或者突然用水量减少等情况，造成水压不稳，对终端用户造成影响，人工调节造成一定的滞后性。此系统不能够完全满足实际生产的需要。系统框图如图3所示。
出口压力

PID控制器
水泵
高压变频器器

压力变送器器

图3单点压力闭环控制系统图
3.2段速压力分段控制
考虑到单点控制的不稳定性，决定变频器根据压力传感器检测的管网压力进行分段控制。根据所需压力大小设置上下限判断点，控制变频器的运行频率。给水泵启动及系统压力达上限值时对应变频器下限频率运行；系统压力达下限值时对应变频器上限频率运行。同样是以管网最不利点作为反馈信号，这样取上限下限两个压力点把运行压力控制在某一段压力范围内，希望可以缓解单点反复变化的缺点，但实际运行情况证明恒定2个压力点仍然满足不了复杂的管网运行情况，这种方法只有在短时间内供水情况相对平稳的时候适用，用户端一旦有特殊的用水情况发生，仍然存在单点闭环控制的调节滞后的问题，无法实现既自动控制又保证供水的实际生产需要。此方案比较适合压力变化稍平稳的供水环境。
3.3定时定压控制
为了满足复杂的供水情况，根据水厂的运行记录，按照以往的用水高峰、低峰经验，将运行压力根据不同的运行时段设定不同压力值，让系统根据不同时间自动调节相应