摘要：本文介绍了环保、节能、自动压力补偿供水设备。从消防科研实践出发，阐述了变频调速技术在消防给水设备中的应用。以单片机电路的控制方式为例，介绍其工作原理。

1 传统水泵控制技术的缺点

在传统的水泵控制方式中，是通过调节出水口或人口闸阀来进行，人为地增加管网的阻力来达到改变流量和压力的目的。因此，在控制过程中，过程阻力损失相应增加，但此时泵的特性曲线保持不变，叶片转速保持不变，电机的输入功率并没有减少，而是损失在调整过程。经计算，当水泵的流量从100%降低到50%时，如果分别调节出水阀和人口阀，电机的输入功率分别为额定功率的84%和60%，而水泵的轴功率仅为12.5%，即功率损耗为7< @1.5% 和 47.5%。这表明，如果没有先进的控制措施，即使泵的设计效率为100%，其实际运行效率也可能只有百分之十或更低。传统的控制方式导致泵长时间高速满负荷运行，维修工作量大，设备寿命短，运行现场噪音大，影响环境。

2 变频调速技术原理

变频技术（ogy）是一种集现代电气技术和计算机控制于一体的先进技术，广泛应用于水泵节能、恒压供水等领域。变频调速的基本原理是根据交流电动机工作原理中的速度关系，即通过均匀地改变电动机定子绕组的电源频率，来平滑地改变电动机的同步速度。 . 当电机转速变慢时，轴功率相应减小，电机输入功率也随之减小。这就是水泵变频调速的节能效果。

众所周知，泵的功耗与转速的立方成正比。即P=Kn3. 其中P为泵的耗电量；n 为泵运行时的转速；K 是比例系数。变频调速和智能控制技术可以使水泵的运行速度随着流量的变化而变化，最终达到节能的目的。当阀门用于控制泵的流量时，一部分有功功率被损耗浪费掉了，并且随着阀门的继续关闭，这种损耗会增加。如果通过降低电机速度进行控制，则可以避免阀中消耗的有功功率。这样，在输送相同流量的情况下，只需输入较低的功率，即可获得节能效果。

3 变频调速技术在消防给水系统中的控制方法

3.1 继电器接触器控制方式

这是最简单的控制类型。根据过程或外部条件的变化，依靠传统的模拟电子技术，采用继电器接触器来控制泵电机的运行，以达到调速的目的。

3.2 逻辑电子电路控制方式

这种控制电路常采用一台泵固定在变频状态，其他泵处于工频状态的方式。控制方式较先进，但难以实现泵机组的全部软启动和全流量变频调节。因此控制精度低，切换泵时水压波动大，调试比较麻烦，工频泵启动时有震动，抗干扰能力弱，但系统成本低. 系统工作原理如下：当消防管网压力下降到某一规定值（下限值）时，压力传感器发出信号，自动开启稳压泵补水，给管网加压。当压力上升到另一个规定值（上限）时，泵会自动停止。系统可根据需要设置消防中心联动界面。当消防中心发出火警信号或按下消火栓按钮时，电控柜自动开启消防总泵灭火。

3.3 单片机电路控制方式

这种控制电路比逻辑电子电路好，但在不同管网、不同供水条件下调试比较麻烦。由于系统程序预先固化在芯片中，当需要附加功能时，必须修改电路，刷新设置程序，既不灵活又不方便，控制电路的可靠性和抗干扰能力不高。

图1为笔者研制的ZBW系列微机控制自动恒压供水系统的电路控制原理图和系统框图。该系统采用高性能单片机控制变频调速器驱动多台水泵，并以变频调速启动每台水泵，实现自动恒压供水。变频稳压泵由具有恒压供水控制功能的变频器控制运行。平时无火警报警时，变频稳压泵将消防管网注满水并稳定电压，使系统随时满足消防供水要求。当管网注满水并稳定到设定的恒压，且稳压泵流量接近零并维持一段时间（时间可程序控制）时，变频稳压器泵自动停泵进入等待状态，储能罐保持稳定电压。当管网压力下降到某一设定压力值时，变频稳压泵自动启动，恢复恒压稳压。当系统接收到消防信号时，单片机控制主消防泵（根据需要一台或多台）依次启动工频，提供额定消防流量和压力。在主消防泵已投入运行的情况下，当管网压力不足时，由单片机控制备用消防泵自动投入运行，满足消防水流量要求。通过与消防控制中心联网，可根据设计方案进行自动或人工巡检，实现消防联动控制功能。

自来水管网的压力一般呈周期性变化，其压力变化可以用函数P(t)表示，函数P(t)以时间t为变量。如果用户需要水压为Pv，则每个时间段需要补充的压力是不同的，其函数公式为Py-P(t)，也是时间t作为变量的函数。P(t)Py时，系统无需补压，处于停泵状态。但当P(t)很小时，为避免负压对管网的破坏，此时不能进行补压。当 P(t) 很大时，系统也会因超高压而停止泵送。根据以上原理要求，开发设计了本设备。在设备的能量调节器上设置4个压力值，分别是Pm、Pn、Pv、Px（数值可根据用户和管网设置）。Pm为超低压停泵压力点；Pn为压力启动泵压力点；Pv为用户要求的压力点；Px 是超压泵停止压力点。设备运行时，能量调节器自动监测水管网压力变化，控制设备在不同状态下运行。当水管网压力P(t)达到Pn(点P1)时，设备自动开机，水泵变频运行，补压；随着管网压力的变化，当P(t)上升到Pv（P2点）时，设备自动停机，管网直接向用户供水；当管网压力过峰值，压力下降到Pv（P3点）时，设备自动开始补压；当管网压力持续下降至谷底至Pm时（P4点），设备将自动停机，避免管网损坏和水质污染。

在系统中，水泵起到补充自来水压力的作用，满足用户对供水压力的需求。储能罐可以接收和储存自来水管网的能量，还可以起到减少水泵启动时对管网的冲击的作用。压力传感器用于接收用户管网的压力信息，控制水泵的转速。能量调节器接收自来水管网的压力信息，调节控制水泵，充分利用管网的能量，避免对管网的破坏和影响。控制柜用于接收来自压力传感器的信息并对其进行处理，以控制水泵的启动、停止和转速。他们之中，能量调节器是设备的核心部件。它有3个压力值可以随意设置。与水管网压力值相交时，产生4个压力点。能量调节器将始终监控管网的压力。每监测一个压力点，就做出相应的判断，并将判断结果传送给微机变频控制系统，达到自动压力补偿的目的。设备的启动方式为软启动，对电网和管网影响很小。由于该设备没有储水箱，而是直接连接管网补压，减少了污染，降低了能耗。

3.4 带比例积分微分（PID）控制器和/或可编程逻辑（PLC）控制器的控制模式 在这种模式下，变频器的作用是为电机提供变频电源，从而实现电机的自由运行时间。步进式调速，使输出水压连续变化。其中，传感器的任务是检测管网的水压。压力设定单元为系统提供所需的水压，以满足用户的需要。压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，由控制器内部的PID控制程序进行计算，作为速度控制信号输出给变频器。压力设定信号和压力反馈信号也可以送入PID回路。调节器在PID回路调节器在调节器中执行操作后，向变频器输入调速信号。在水泵控制系统中采用变频调速技术，调速器的控制可以是自动的，也可以是手动的。变频器的加减速可根据需要自动调节，控制精度高。

3.5 变频器一体化控制方式 该控制方式将PID和PLC的功能以一体化的方式集成到变频器中，形成了一种新型的控制应用型变频器。由于PID运算预先固化在变频器中，省去了PLC的设计和PID的编程，PID参数的在线调试非常容易。内置PID调节器采用优化算法，水压调节非常平滑稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确性，不失值，可以对信号设置滤波时间常数，同时对反馈信号进行转换，方便调试该系统非常简单方便。因此，采用内置PID功能的变频器生产的恒压供水设备，可以降低设备成本，节省安装调试时间。

另外变频器能耗管理，针对传统变频调速供水设备存在的不足，部分产品设计采用变频调速和智能控制技术，因此应用了多级直接高压逆变器、模糊控制器等装置。 . 采用多电平直流高压逆变器可实现高质量的电力输入输出、高功率因数和不间断运行。模糊控制器能最大程度地适应被控对象的复杂性，达到控制精度高、响应速度快、控制规律简单的目的。

4 变频调速技术应用于消防给水系统

(1）有火警信号外接输入接口，当有火警或火警信号时，系统可自动切换到火警状态；

(2）系统设计有自动巡检功能，可根据需要设置定期巡检周期；

（3）方便灵活配置常规水泵、消防水泵等功能水泵，方便给水泵房全自动化；

（4）工作泵和备用泵不固定，可以定时自动旋转，可以有效防止备用泵长期不使用时出现生锈现象；

（5）故障自动电话拨号功能。当供水系统或变频器出现故障时，通过内置串行通讯接口将信号与外接MODEM设备连接，自动启动预设电话号码和信息，并及时通知设备维修人员进行相应处理，轻松实现泵房无人值守；

(6）可实现网络控制，方便楼宇自动化管理。

消防给水系统采用变频调速技术，实现水泵电机无级调速，根据排水量的变化自动调节系统运行参数，当水压不足时，保持水压恒定。用水量变化满足消防用水要求。与传统消防供水方式相比，在设备投资、运行经济性、系统稳定性、可靠性、自动化等方面具有不可比拟的优势，节能效果显着。

水泵控制系统采用变频调速技术，具有调速性能好、节能效果显着、运行过程安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种融合现代先进电力电子技术和计算机技术的高科技节能装置，对于提高劳动生产率、降低能源消耗具有重要的现实意义。可以说，变频调速技术是一项利国利民、应用前景广阔的高新技术。

变频调速技术在消防给水设备中的应用探讨