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一、 原理概述
恒压变流量供水控制系统的基本控制策略是：采用电动机调速装置与单片机、可编程控制器（PLC）或工业控制计算机（IPC）等控制单元构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入到控制单元的CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
随着电力电子技术的发展，电力电子器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量、耐压、特性和类型等方面得到了很大的发展。进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频调速技术，而系统的控制单元多采用PLC，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，与触摸屏计算机联网可完成系统运行工况现场的动态画面显示、多种故障报警模式及报表打印等功能。现在先进的PLC大多具有标准的工业快速网络通讯接口，可做为智能控制终端与供水系统的上位管理或控制计算机进行实时通讯上传系统所有数据，这样就为系统使用方针对系统的优化控制和管控一体化预留了很大的技术空间，也为供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。
下图为典型的恒压变流量控制系统示意图：
二、 控制方案：
在高层楼宇或生活小区的供水管网系统中由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的，泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失ΔP和流量Q之间存在着如下关系：ΔP=KQ2；式中K为系数。
设定PL为压力最不利点所需的最低压力，则泵站出口总管压力P应为：P=PL+ΔP= PL+ KQ2；此时可满足用户用水的需求压力值又可以达到最佳的节能效果。因此供水系统的设定压力值应根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒定值而泵站出口总管压力连续可调。
典型的自动恒压供水系统具有控制水泵出口总管压力恒定、变流量供水功能。系统通过安装在出水总管上的压力变送器和流量传感器实时将压力和流量非电量信号转换为标准电流弱电信号，输入到系统控制单元—PLC的模拟信号输入模块，信号经CPU运算处理后与设定的信号进行比较运算得出最佳的运行工况参数，由PLC的输出模块输出逻辑控制指令和控制变频器输出频率的信号值控制泵站投运水泵的台数及变量泵的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU指令实施软启动、软切换及变频运行。系统可根据用户终端用户用水量的变化，自动控制泵组水泵的循环运行以提高系统的稳定性及供水的质量。
考虑到高层楼宇存在生活供水和消防供水两组管网，我们在进行高层楼宇全自动供水系统设计和施工时，可根据用户的实际需要设计综合控制系统，一般来说控制系统有两种控制实现手段：1、将两套系统的控制合二为一，即生活供水分部的压力、流量传感变送单元检测管网过程信号转换为保证电流信号传输至控制单元由控制单元控制管网维持恒压变流运行，当遇到紧急情况需要进行消防供水时，控制单元检测到传输过来的自动消防运行指令或由人工操作运行将消防供水回路打开，同时变频器切换至拖动消防水泵运行（系统先将消防供水回路的电动阀门打开或人工开启手动阀门），此时生活供水回路暂停运行；2、两套系统分开控制和运行，生活供水控制系统依旧如前所述，消防供水控制系统与消防报警控制系统联网，一旦消防报警控制系统检测到险情，则消防供水控制系统立即开始运行，同时发送指令到生活供水控制系统将该系统立即停止，运行的方式可以设计为单独的消防供水变频器拖动水泵自动或手动运行。
三、 系统功能
※自动切换变频/工频运行功能
变频器提供三种不同的工作方式供用户选择：
方式A：基本工作方式
变频器始终固定驱动一台泵并实时根据其输出频率控制其他辅助泵启停，即当变频器的输出频率达到最大频率时启动一台辅助泵工频运行、当变频器的输出频率达到最小频率时则停止最后启动的辅助泵，由此控制增减工频运行泵的台数。
方式B：交替方式
变频器通常固定驱动某台泵，并实时根据其输出频率使辅助泵工频运行，此方式与方式A不同之处在于若前一次泵启动的顺序是泵1→泵2，当变频器输出停止时，下一次启动顺序变为泵2→泵1。
方式C：直接方式
当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。
※PID的调节功能
由压力变送器和液位变送器反馈的水压弱电信号(4～20mA)直接送入PLC的A/D模块，系统设定好给定压力值和PID参数值，并通过PLC计算何时需切换泵的操作从而完成系统控制。系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。
※“休眠”功能
系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚）情况，为了达到节能的目的，系统可以设置使水泵暂停工作的“休眠”功能。以三台泵举例，当变频器频率输出低于其设定的频率下限值同时时间超过系统设定值时，变频器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（处于休眠状态）。当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2＃泵或3＃泵，当频率到达一定值后将启动1＃泵调节2＃或3＃泵的转速。
“休眠值”可以利用变频器的“输出下限频率”功能来设置。系统“休眠确认时间”用PLC或变频器的功能设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间例如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值且时间超过系统设定值时由PLC发出指令唤醒变频器工作。在一般用户场合经验值为：“休眠值”为10HZ；“休眠确认时间”td为20s；“唤醒值”为70%、20S。
※运行特征：
以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，可编程控制器控制变频器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力恒定；当用水量Q在1/3Qmax<Q<Q时系统反相控制，如超过系统设定的低流量参数和时间值则系统进入“休眠”状态。
※通讯功能
系统具有与计算机通讯的功能，PLC和变频器均提供有RS485接口和总线网络通讯接口，如果增加触摸屏式人机界面或工业控制计算机就可以形成一个完整的管控网并可以与上级网络进行实时通讯。
增加了计算机的系统除控制功能外还可以实现以下功能：
※宣传介绍：可以对公司、现场或系统提供方的概况、项目性质及联系方式等进行图文、FLASH、影像或三维动画等形式的展示。
※电气动作图：根据系统中的各电器元件做相应的动画图形，直观反映变频器的启/停状态、接触器的吸合/断开状态、PLC触点动作功能指示及泵组内水泵的运行/停止状态等。
※监控画面：可显示变频器的工作频率、电压、电流等参数；管网的设定压力及实际压力；系统的全貌图/工艺流程图/拓扑示意图等。
※系统维护：可编制相应的系统说明手册，对系统及各部件的注意事项及维护等做相应的介绍并支持打印输出。
※故障分析：可通过动画、文字、闪烁灯光（或辅以PLC配置的模拟式声光报警装置提醒操作人员）、灯光颜色标志等方式显示系统的故障报警状态以及相应的处理方式。
※留言板：通过在POD上留言可以为交接班做记录，增加了系统的管理手段；
※时钟校正：可随时调整时钟以及系统的时间参数，便于实现分时控制及系统内控制程序中的循环切换启动/停止时间；
※功能曲线：日/月/年水压变化曲线。
四、 系统经济效益分析及系统优点：
1、经济效益分析：
根据流体力学原理可知：变量泵的功率P1、供水量Q1与泵转速n1三者的关系如下式：
P1/Q1=(n1/n)3
Q1/Q=n1/n
式中：Q为额定流量；Q1<Q；
P1为额定流量时的电机轴功率；
n为水泵的额定转速。
额定流量Q=100%时，n=100%，若n1=90%n时，Q1=90%Q；P1=72.9%P，即可节电27.1%。若n1=80%n时，Q1=100%Q；P1=51.2%P，即可节电48.8%。
当然以上的公式和计算方法为理论值，在实际运行的现场影响节能效率的因素有很多如：管损、水泵运行状态、变频器选型情况（变频器输出频率精度、变频器控制方式等）、控制程序合理性、PID参数稳定性等。在以上因素为正常合理的情况下，全自动根据我们的经验，变流量恒压供水控制系统的节能效率一般在30％以上。
2、系统优点：
恒压供水技术因采用变频器改变电机的电源频率而达到调节水泵转速从而改变水泵出口压力，这种方式比靠调节阀门控制水泵出口压力的方式具有节能效果显著、降低管道阻力、大大减少截留损失的优点。
由于变量泵工作在变频运行状态，当其出口流量小于额定流量时，泵的运行转速小于额定转速，这样就减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电机的机械使用寿命，大大减少了设备的维护工作量和费用。
系统由于实现了全自动恒压控制，无需专门的操作人员操作，大大降低了操作人员的劳动强度，节省了人力资源，同时大大提升了系统自动化控制和管理的水平。
每一台水泵的启动方式为软启动方式，按照变频器设定的加减速时间进行升降速避免了电机工频启动时的电流冲击而造成的对电网的冲击，同时也避免了电机突然加速致使泵产生“喘振”现象。
由于变量泵工作在变频控制状态，其运行转速是由供水量所决定的，故系统在运行过程中可节约相当可观的电能，其经济效益是非常明显的。由于全自动恒压变流量供水控制系统节能效果显著，因此系统投资回收期短（一般在18个月以下），而系统的长期收益和其带来的社会效益也是非常可观的。
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