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1 供水系統(tǒng)概況
供水控制系統(tǒng)是以某一參量作為控制目標，通過對水泵電機進行控制來改變水泵的運行
工況（如流量、揚程、功率），以達到用戶的需求。根據(jù)控制目標對象的不同可分為壓力控
制、液位控制及其他特殊控制方式，如溫度、差壓和溫差。從電控系統(tǒng)類型上分有普通繼電
控制型和變頻調速控制型，普通繼電型通過控制交流接觸器控制水泵電機的起停，水泵電機處于工頻及停止狀態(tài)，起動方式有軟起動、自耦變壓器起動或直接起動。變頻調速系統(tǒng)對電機的轉速實現(xiàn)無級調速，根據(jù)用水量大小進行變速供水，保證出水壓力不變。既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動（對電網電壓沖擊不大），延長了水泵壽命。高層建筑及生活小區(qū)供水系統(tǒng)的發(fā)展方向是采用現(xiàn)代檢測技術、計算機控制技術、交流調速技術，形成組合化、模塊化、可編程、可通信的系統(tǒng)。主要組成部分是PLC系統(tǒng)、PID控制器、變頻器、電機、水泵、壓力傳感器。
2 供水系統(tǒng)方案及比較
水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網系統(tǒng)－用水點是目前國內外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開先關”的順序關泵，工作泵與備用泵不固定。這樣既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運行時間，有效地防止因為備用泵長期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設備的綜合利用率，降低了維護費用。
水池－水泵－高位水箱－用水點這種供水方式通過水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶。但是這第種二次供水方式不可避免造成二次污染，影響居民的身體健康，所以這種方案終將淘汰。
圖1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路
3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案
供水系統(tǒng)主要應用的PID恒壓控制功能、多泵循環(huán)控制功能以及睡眠功能，不同水泵廠商會采用不同方案來實現(xiàn)這些功能。
3.1 方案1
采用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)PID控制和多泵循環(huán)功能，變頻器僅做基本調速。圖2為方案1實施系統(tǒng)。
圖2 PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)供水
在工作過程中，壓力傳感器將管網水壓變換為電壓或電流信號，經模擬量輸入通道輸入PLC系統(tǒng)，PLC根據(jù)給定的壓力設定值與實際檢測值進行PID運算，由PLC將速度命令發(fā)送至變頻器，調節(jié)水泵電機的頻率，PLC與變頻器間采用Modbus通信、0-10V/4-20mA控制。
3.2 方案2
不配置PLC采用變頻器內部的PID功能，變頻器驅動水泵臺數(shù)較少，一般為2臺，水泵的切換循環(huán)功能也由變頻器控制。
圖3 PID內部功能實現(xiàn)供水
3.3 方案3
采用變頻器內部PID控制功能，水泵數(shù)量較多，一般在三臺以上，由PLC實現(xiàn)靈活的循環(huán)控制及故障切換保護。
4 臺達CP2000變頻器功能與設置
臺達CP2000系列變頻器擁有內部PID功、多泵循環(huán)功能以及內置PLC，可以通過變頻器實現(xiàn)以上功能。
4.1 PID控制功能
CP2000變頻器內部PID回授信號可以選擇正回授及負回授兩種方式（08-00），負回授對應，當輸出頻率增加，電機運轉速度增大時，檢測反饋信號也會增大的應用場合；當需要減小輸出頻率時檢測反饋信號增大時，選擇正回授。回授接口端子的選參數(shù)設置如表1所示。
表1 回授接口端子的選參數(shù)
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回授信號端子
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參數(shù)設置
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實際信號類型
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信號對應關系
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AVI1為回授信號
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03-00=5
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0-10V
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0-100%
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ACI 為回授信號
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03-01=5
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0-20/4-20mA
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0-100%
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AVI2 為回授信號
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03-02=5
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0-10V
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-100--+100%
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PID的目標值參數(shù)設置如表2所示。
表2 PID目標值參數(shù)
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PID目標設定值選擇
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參數(shù)設置
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數(shù)字操作器
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00-20=0
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通訊RS485輸入
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00-20=1
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AVI1為輸入給定
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03-00=4，00-20=2
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ACI為輸入給定
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03-01=4，00-20=2
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AVI2為輸入給定
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03-02=4，00-20=2
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4.2 睡眠喚醒功能
CP2000可設置睡眠頻率08-10、睡眠時間08-12和蘇醒頻率08-11，當頻率命令低于睡眠頻率時，在睡眠時間內，變頻器運轉頻率為睡眠頻率08-10，當給定低于睡眠頻率的時間超過睡眠時間時，變頻器進入睡眠狀態(tài)，輸出頻率為0，直至速度命令達到蘇醒頻率時，變頻器進入蘇醒狀態(tài)，按頻率給定命令運行。圖4為睡眠、蘇醒功能示意圖。
圖4 睡眠、蘇醒功能示意圖
4.3 多泵循環(huán)功能
CP2000有五種循環(huán)方式，一臺變頻器最多可驅動8組電機。
4.4 定時循環(huán)
最多可以控制8臺電機，每臺電機工作于變頻或停止狀態(tài)，每個時刻有一臺電機運行，電機按順序運行設定的時間（參數(shù)12.02設定）后停止，延時（參數(shù)12.03）后，起動下一臺電機，循環(huán)控制多臺電機，防止某些電機長期工作，而某些電機長期不工作的情況出現(xiàn)。
圖5 以4臺電機為例定時循環(huán)控制配線圖
4.5 定量循環(huán)
最多可以控制4臺電機，每臺電機可以工作于變頻和工頻狀態(tài)。加泵過程，當現(xiàn)有運行電機不能滿足壓力或流量要求時，將變頻運行的電機加速后切換至工頻電源驅動，再變頻起動下一臺電機，依次增加電機數(shù)量，最后工作于若干臺電機工頻運行與一臺電機變頻運行模式。
減泵過程，當運行時的壓力（或）流量大于設定值時，需要減泵降速運行，變頻電機開始減速；若減速到某轉速時，滿足要求，系統(tǒng)維持狀態(tài)繼續(xù)運行；若變頻電機速度停止運行后，壓力（或流量）仍大于設定值，系統(tǒng)將停止一臺工頻電機。若此時壓力（或流量）仍大于設定值，則系統(tǒng)再停止一臺工頻電機；若此時壓力或（流量）小于設定值時，將一臺電機啟動工作于變頻狀態(tài)，保持若干電機工頻運行、一臺電機變頻運行的模式。
圖6 以4臺電機為例定量循環(huán)控制配線圖（最多4臺）
4.6 定量控制
最多可以驅動8臺工頻運行電機和1臺變頻運行的電機。
加泵過程，第1臺電機變頻運行到切換頻率后，如果壓力（或流量）小于設定值，系統(tǒng)增加一臺工頻運行的電機，最后系統(tǒng)工作于一臺電機變頻運行、若干臺電機工頻運行狀態(tài)。
減泵過程，若系統(tǒng)的壓力（或流量）大于設定值，首先變頻運行的電機開始減速，根據(jù)給定與反饋值比較，直至速度減到最小設定頻率，若壓力（或流量）仍大于設定值，減少工頻運行電機，直到反饋值小于給定值時，變頻電機加速到合適轉速，最后系統(tǒng)也工作于一臺電機變頻運行、若干臺電機工頻運行狀態(tài)。
圖7 以4臺電機為例定量控制配線圖（最多8臺電機）
4.7 定時循環(huán)+定量循環(huán)
系統(tǒng)處于定量循環(huán)模式工作時，壓力（或流量）需求較少時，只有部分電機工作，有的電機可能處于較長時間不運行，這時可以用定時循環(huán)的模式循環(huán)運行電機。
定時循環(huán)+定量控制主要實現(xiàn)方式是，系統(tǒng)在定量控制模式工作時，壓力（或流量）需求較小時，只有部分電機工作，有的電機會處于長時間不運行狀態(tài)，這時可以增加定時循環(huán)功能使電機循環(huán)工作。表3為恒壓供水系統(tǒng)CP2000變頻器關鍵參數(shù)設置。
表3 恒壓供水系統(tǒng)CP2000變頻器關鍵參數(shù)
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參數(shù)碼
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參數(shù)名稱
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單位
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數(shù)值
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注釋
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00-11
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速度模式選擇
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0
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V/F控制
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03-00
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AVI模擬輸入功能選擇
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4
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AVI為目標設定值
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03-01
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ACI模擬輸入功能選擇
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5
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ACI為PID回授值
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08-00
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PID回饋端子選擇
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1
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選擇負回授
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08-10
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睡眠參考點
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Hz
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30.00
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08-11
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蘇醒參考點
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Hz
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35.00
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08-12
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睡眠時間
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s
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10.0
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08-20
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PID模式選擇
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0
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12-00
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循環(huán)控制
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2
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定量循環(huán)
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12-01
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連接電機臺數(shù)
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3
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12-03
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加速時電機切換延遲時間
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s
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5
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12-04
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減速時電機切換延遲時間
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s
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5
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12-05
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定量循環(huán)時電機切換時間
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s
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20
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12-06
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定量循環(huán)時電機切換頻率
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Hz
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50
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作者簡介：
邱佩服，男，出生于1980年12月，畢業(yè)于北京機械工業(yè)學院，自動化專業(yè)。現(xiàn)任中達電通股份有限公司變頻器產品處高級應用工程師，從事變頻器項目類應用相關技術工作。
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