国内几种常用变频恒压供水控制系统的比较分析
1．概述
目前，我国的能源工业面临着经济增长与环境保护的双重压力，有效地利用电能是必须面对的问题。随着变频技术的不断发展，在我国的应用也越来越广泛，同时取得了良好的效果。采用变频器和可编程控制器等现代控制设备和技术实现恒定水压供水，是供水领域技术革新的必然趋势，然而传统的水塔供水既不卫生又不经济，同时对水资源也造成了大量的浪费。
本网页通过对变频调速恒压供水系统的介绍，对比几种变频恒压供水控制系统，有效的解决传统供水方式的弊端，说明变频恒压供水控制系统是具有实用价值的调速系统，同时为已有的供水系统技术的改造提供了切实可行的途径。合理有效的利用变频恒压供水控制系统的功能，可以实现降低成本的同时并保证产品质量。
2.变频恒压供水控制系统
供水控制系统的设计主要包括两方面：一方面是机械结构的设计；另一方面是微电脑控制器和变频器电气控制方面的设计。机械结构是控制系统的基础，是实现控制功能的前提；微电脑控制器对变频器的控制系统是实现控制功能的核心部分。
2.1基于PLC的变频供水控制系统
图1为变频恒压供水系统。其中，变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，这样可以实现电机的无极调速功能，从而达到管网水压的连续变化。传感器的作用是检测管网水压，测试的水压与预期的水压期望值相比较，并提供满足要求的水压。压力的设定信号和压力的反馈信号输入到可编程控制器之后，经过可编程控制器的PID控制程序运算，再输出一个控制信号到变频器中。另外一种方法是，将压力的设定信号和压力的反馈信号同时输入到PID回路调节器中，由内置的PID回路调节器在调节器的内部经过计算之后，再输出一个控制信号到变频器中，如图1中虚线所示。
供水设备控制着1—3台水泵，其中只有一台是变频泵。当供水设备供电开始工作时，先启动的是变频泵，待管网水压达到预期的设定值时，变频器的输出频率则稳定在这一数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将该控制信号输入到可编程控制器或PID回路调节器中，可编程控制器或PID回路调节器则输出控制信号从而达到增加水量的作用，这样使得变频器的输出频率上升，同时水泵的转速提高和水压上升。
假如用水量徒增的话，达到了变频器输出频率的Z大值，此时管网水压仍然不能达到预期的设定值，可编程序控制器或PID回路调节器输出一个控制信号用来启动一台工频泵，在该工作原理上其他泵依次类推工作。反之，当用水量减少，变频器的频率达到Z小值时，则输出控制信号来减少一台工频泵的信号，其他泵依次类推。图1中M1-M3为电机，P1-P3为水泵，KM1-KM6为电机起、停、互相切换的交流接触器。
由可编程控制器或PID回路调节器输出的信号，该控制信号控制变频器的转速，因此，对于可编程控制器来说，不仅具有模拟量的输入接口，还具有模拟量的输出接口。由于同时带有模拟量输入接口和输出接口的可编程控制器的成本很高，从而使得供水设备的成本不得不增加；若采用同时带有模拟量输入和数字量输出的可编程控制器，必须要在输出端上另接一块PWM调制板，PWM的作用是将可编程控制器输出的数字量信号转换成模拟量。
因此，变频恒压供水控制设备中，降低设备成本的投入的关键就是解决PID控制信号的产生和输出。
图1.变频恒压供水系统
基于PLC的变频供水控制系统的几种设计方案：
(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。该结构虽然微化了电路结构和降低了设备的成本，但是在压力的设定值和压力的反馈值的显示上就不是那么方便，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数的优化比较困难，而且调节的范围比较小，同时系统的稳态和动态性能不是很稳定。该结构由于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。
(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
这种设计的控制系统，具有控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便的优点，同时具有较高的性价比，但是开发的周期长，如果程序一旦固化，修改就比较麻烦，因此该结构的现场调试的灵活性比较差，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，因此必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该结构的控制系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
(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
这种控制系统的控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以很便捷的与其他的系统进行数据通信和交换，集成度高，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，根据不同要求的控制系统用户可以灵活地组成各种规模结构；在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当用户的控制要求发生改变时，只需改变存贮器中的控制程序，同时用户可以通过PC机进行修改控制程序，因此现场调试很方便。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。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。
2.2新型变频调速供水设备
根据传统供水控制系统的特点和不足，国内外的不少生产厂家近年来推出了一系列供水设备的产品，如华为的TD2100，SANKEN的SAMCO-I系列，富士公司的G11S/P11S系列等。这些新产品是对变频器进行了改变，将PID调节器以及简易可编程控制器的功能集成到变频器中，从而形成带有各种应用宏的新型变频器。由于变频器内置的PID调节器利用的是优化算法，在水压的调节和控制方面表现的十分平滑和稳定。同时，为了能够保证水压反馈信号值的准确和不失值，可以对该反馈信号进行滤波时间常数的设置，同时还可以对反馈信号进行换算，使系统的调试变得更加简单、方便。2.3供水专用变频器
供水专用变频器，在普通变频器的基础上进行改进，将PLC控制器集成到普通变频器上，供水专用变频器是集供水管控一体化的系统，内置了供水专用的PID调节器，在此基础上加上压力传感器就可以组成一个供水闭环的控制系统。传感器将反馈的水压信号直接输入到变频器自带的PID调节器中，同时该结构中压力设定可以使用变频器的键盘进行设定，也可以使用电位器以模拟量的形式送入。
结语：
随着变频技术的不断发展，在我国的应用也越来越广泛，同时取得了良好的效果。供水系统采用变频供水技术不仅可以改善供水水质，而且自动化程度高和便于操作和控制，更可以达到节约资源的目的。变频恒压供水控制系统的使用是供水领域技术的必然趋势，同时对变频恒压供水控制系统的研究有很重要的意义。