恒压供水的理论分析及方案设要点.docx

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恒压供水的理论分析及方案设要点

恒压供水的理论分析及方案设计

摘要：

随着油田的迅速发展，对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。

把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到油田供水领域，成为对供水系统的新要求。

关键词：

变频调速；恒压供水；变频器

目录

1供水压力和变频器输出频率的关系2

2恒压控制的理论分析4

2.1恒压控制的理论模型4

2.2变频恒压供水的近似数学模型5

3变频恒压供水系统的构成及工作原理6

3.1变频恒压供水控制系统控制方案的设计与选择6

3.2变频恒压供水系统的构成7

3.3变频恒压供水系统的控制流程9

3.4变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析11

结论14

参考文献14

1供水压力和变频器输出频率的关系

在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。

确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算法的依据。

送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心力将水流甩出去。

离心泵也因此得名。

在给水排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起。

在给水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为“装置”，在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的孤立水泵。

图1.1离心泵装置

在水泵机构和理论中，有一些评价水泵性能的性能参数，这里把与本文研究有关的几个参数列举如下：

扬程（H）单位重量液体通过水泵后的能量的增量；

流量（Q）水泵在单位时间内所输送的水体体积；

轴功率（N）原动机输给水泵的功率成为水泵的轴功率；

效率（

）水泵的有效功率和轴功率之比，其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率；

转速（n）水泵叶轮的转动速度。

根据水泵理论，在图1.1中，

（1-1）

真空表读数（公斤/厘米）；

压力表读数（公斤/厘米）；

水的容重；

水泵出水口测量点与进水口测量点位置差造成的附加扬程。

水泵出水口与进水口的动能增量转化的扬程[1][2]。

由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真空，所以在进水口的真空值为0。

水泵进水口与出水口都沿水平方向放置，位置差为0。

水泵在正常工作时，动能的变化相对比较小。

考虑这些具体情况，上式可以改写为：

（1-2）

泵的轴功率为：

（1-3）

把水泵扬程的表达式代入上式，得：

（1-4）

水泵是与一台交流感应电机相连，由电机带动运行的，电机的转速与水泵的转速相同，电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。

在电机理论中，感应电机的机械功率

为：

（1-5）

在变频调速时，由于磁通

不变，从电机转矩补偿公式：

（1-6）

可以看出，要使主磁通

，保持不变，则

必须保持不变。

因此在变频调速过程中，电压应该与频率成正比例变化，设

（1-7）

带入式（1-5）得：

（1-8）

根据能量守恒定律，有：

（1-9）

其中，

为电机的效率。

所以，水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有：

（1-10）

从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。

为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速；当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率。

由于用户的用水量是始终在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来将，在每一个时刻它都是一个随机变化的值。

这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定[5][6]。

2恒压控制的理论分析

2.1恒压控制的理论模型

对变频恒压供水的主要特点进行分析，可以得出如下结论：

变频调速恒压供水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。

对它的控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

图1.2变频恒压控制的原理图

从恒压控制的原理图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。

如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等[7]。

2.2变频恒压供水的近似数学模型

由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行到近似等效。

水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：

1、水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程。

2、水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程。

系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。

因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成：

（1-11）

式中：

K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，

为系统滞后时间[3]。

3变频恒压供水系统的构成及工作原理

3.1变频恒压供水控制系统控制方案的设计与选择

从上一节变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。

系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。

根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种方案可供选择：

1、有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器

这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。

它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。

其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合[4]。

2、通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。

该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中[7]。

3、通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器

这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。

在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。

同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。

因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关[5]。

通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。

这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。

3.2变频恒压供水系统的构成

由于本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水，我们以四台水泵（三台主泵和一台附属小泵）组成的供水系统为例，其原理框图如图3.3所示。

图3.1变频恒压供水系统原理框图

从上面的原理框图，可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面以及报警装置等部分组成。

1、执行机构

执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的4个水泵分为三种类型：

（1）调速泵：

是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。

（2）恒速泵：

水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。

当水泵采用循环的控制方式时M1，M2，M3既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式时M1，M2，M3中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。

（3）附属小泵：

它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很小的情况下（例如：

夜间）对管网用水量进行少量的补充。

在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：

（1）用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，这种结构更适合于大功率的供水系统。

（2）供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，使水泵选型容易，同时这只要再增加恒速泵即可。

（3）以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系统运行可靠性。

（4）附属小泵的加入，使系统在用水量很低时可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，降低系统的运行噪音。

（5）在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。

2、信号检测

在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压、液位和报警信号：

（1）水压信号：

它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反

馈信号。

此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。

另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。

检测结果可以送给PLC，作为数字量输入。

（2）液位信号：

它反映水泵的进水水源是否充足。

信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。

此信号来自在安装于水源处的液位传感器。

（3）报警信号：

它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。

3、控制系统

供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、变频器和电控设备三个部分。

（1）供水控制器：

它是整个变频恒压供水控制系统的核心。

供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口的数据信息进行

分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构（即水泵）进行控制。

（2）变频器：

它是对水泵进行转速控制的单元。

目前实用化的变频器很多，但是我们使用的FR-A540（L）是一种集多种功能于一体的变频器，它适用于电动机主要调速的各种场合。

它可通过数字操作面板或通过远程操作器方式，修改其内置参数，即可工作于各种场合。

主要的特点是：

内置多种运行控制方式；快速电流限制，实现无跳闸运行；内置式制动斩波器，实现直流注入制动；具有PID控制功能的闭环控制，控制器参数可自动整定；多组参数设定且可相互切换，变频器可用于控制多个交替工作的生产过程；多功能数字、模拟输入/输出口，可任意定义其功能和具有完善的保护功能。

根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况不同，变频器有两种工作方式：

a、变频循环式：

变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统先将变频器从该水泵电机中脱出，将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。

b、变频固定式：

变频器拖动某一台水泵作为调速泵，当这台水泵运行在50Hz时，其供水量仍不能达到用水要求，需要增加水泵机组时，系统直接启动

另一台恒速水泵，变频器不做切换，变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。

（3）电控设备：

它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。

用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等工作。

4、人机界面

人机界面是人与机器进行信息交流的场所。

通过人机界面，使用者可以更改设定压力，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，同时使用者也可以从人机界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。

人机界面还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。

5、报警装置

作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。

由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。

3.3变频恒压供水系统的控制流程

整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的状态、按照系统的控制流程、通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现恒压供水目的。

其需要完成的控制流程如图3.2所示：

图3.2变频恒压供水系统控制流程图

现将流程图说明如下：

1、系统上电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动水泵Ml（可以是M2，M3，这里以M1为例），通过恒压控制器，根据用户管网实际压力和设定压力的误差调节变频器的输出频率，控制M1的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1工作在调速运行状态。

2、当用水量增加水压减小时，通过压力闭环和恒压控制器，增加水泵的转速到另一个新的稳定值，反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。

3、当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下一节有详细的阐述）时，在变频固定式的控制方式下，系统将变频器的输出的频率降为下限频率的同时开启一台恒速水泵。

在变频循环式的控制方式下，系统将电机M1切换至工频电网供电后，M1恒速运行，同时使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。

如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，并有新的水泵投入并联运行。

当最后一台水泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。

4、当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际压力水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件（在下一节有详细的阐述）时，系统将先运行的那台恒速水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。

当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件（在下一节有详细的阐述）时，将继续发生如上转换，直到剩下一台变频泵运行为止。

5、当系统中只有调速泵在工作，而调速泵的运行频率已降至下限频率时，且满足关泵条件，此时关闭调速泵。

系统进入靠附属小泵进行少量补水的状态。

在这种情况下，若实际压力低于设定压力，则延时后开启附属小泵进行补水，附属小泵开启后，若实际压力高于附属小泵的工作压力（设定压力+附属小泵启停压力误差），则关掉附属小泵。

待实际压力再次低于设定压力后，重复上述过程。

在附属小泵开启后，压力达不到设定压力，则经过一定的延时后，关掉附属小泵，开启调速泵进行控制，工作过程同2，3，4，5[6][7]。

3.4变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析

在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵已运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵已运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。

那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换?

尽管通用变频器的频率都可以在0--400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。

当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。

由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。

当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。

要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。

另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。

其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。

因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就已经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。

这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。

这个频率远大于0Hz，具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。

由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。

从上面的分析可以看出，当变频器的输出频率己经到达上限频率，而实际的供水压力仍然低于设定压力时，存在的实际供水压力差已经不能够使输出频率增大，实际供水压力也不会提高。

当变频器的输出频率已经下降到下限频率，实际的供水压力却仍高于设定的供水压力时，存在的压力差不会使输出频率继续降低，实际的供水压力也不会降低。

所以，选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是合理的，但要做以下考虑。

首先把上面的判别条件简写如下：

（1）

（1-12）

（2）

（1-13）

式中：

：

上限频率

：

下限频率

：

设定压力

：

反馈压力[11]

对于第一个判别条件，可能出现这种情况：

输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动。

在这种情况下，如果按照上面的判别条件，只要条件一满足就进行机组切换，很可能由于新增加了一台机组运行，供水压力一下就超过了设定压力。

并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。

在极端的情况下，运行机组增加后，实际供水压力超过设定供水压力，而新增加的机组在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。

假设这一段时间内用户的用水状况保持不变（其实在一个稳定的供水时段可以看作这种情况），那么按照要求停掉了一个工频状态下运行的机组之后，机组的整体运行情况与增加运行机组之前完全相同。

可以预见，如果用水状况不变，供水泵站中的所有能够自动投切的机组将一直这样投入→切出→再投入→再切出地循环下去。

这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中。

同时，在切换过程和变频器从启动到稳定的过程中，系统的供水情况是不稳定的，实际供水压力也会在很大的压力范围内震荡。

这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。

对于第二个判别条件，通过相同的讨论方法也能够得到类似的结论。

所以，在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。

相应的判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的，其实质就是增加了回滞环的应用和判别条件的延时成立。

在恒压供水中，机组的切换为机组增加与机组减少两种情况，这两种情况由于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。

考虑到只有当变频器的输出频率在上下限频率时才可能发生切换，并且上限频率时不可能减泵，下限频率时不可能增泵，所以，可以采用回滞环思想进行判别如图3.3表示：

图3.3用于压力判断的回滞环

即：

如果变频器的输出为上限频率，则只有当实际的供水压力低于比设定压力小△Pd/2的时候才允许进行机组增加；如果变频器的输出为下限频率，则只有当实际的供水压力高于比设定压力大△Pd/2的时候才允许进行机组的增加[11]。

回滞环的应用提供了这样一个保障，即如果切换的判别条件满足，那就说明此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。

但这个判别条件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换，因为有两种情况可能使判别条件的成立有问题：

1、实际供水压力超调的影响。

2、现场的干扰使实际压力的测量值有尖峰。

这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足，造成判断上的失误，引起机组切换的误操作。

这两种情况有一个共同的特点，即它们维持的时间短，只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。

根据这个特点，在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了。

所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间，比如一、两分钟，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

经过上面的讨论，将实际的机组切换的实际条件定为。

增泵条件：

并且延时判别成立

减泵条件：

并且延时判别成立[5]

结论

目前，变频恒压供水系统，由于它的功能全面、操作方便、又有形象美观的人机界面、方便可靠的数据通讯接口、高精度的恒压控制以及良好的节能效果，取得了良好的经济效益和社会效益。

本人经过学习和设计，已经完成了系统的各项功能，基本达到了设计的指标，具体内容如下：

1、本文首先根据管网和水泵的运行曲线，介绍了供水系统的变频调速节能原理。

2、分析了变频恒压供水的原理框图及系统的组成结构，确定了恒压供水系统系统的控制方案，设计并分析了工作流程图。

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