1. Überblick Die grundlegende Regelungsstrategie eines Konstantdruck-Wasserversorgungssystems besteht darin, mithilfe eines Drehzahlreglers und einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) die Drehzahl der Pumpengruppe zu optimieren und die Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpen automatisch anzupassen. Dadurch wird eine Regelung des Wasserversorgungsdrucks im geschlossenen Regelkreis erreicht. Dies gewährleistet einen stabilen Wasserversorgungsdruck und Energieeinsparung bei schwankendem Rohrleitungsdurchfluss. Das Regelungsziel des Systems ist der Ausgangsdruck der Hauptleitung des Pumpwerks. Der Sollwert des Wasserversorgungsdrucks wird mit dem tatsächlichen Rückmeldewert der Hauptleitung verglichen. Die Differenz wird zur Verarbeitung an die CPU übermittelt. Anschließend werden Steuerbefehle ausgegeben, um die Anzahl der in Betrieb befindlichen Pumpenmotoren und die Drehzahl der Verstellpumpenmotoren zu steuern und so den Hauptwasserversorgungsdruck auf dem Sollwert zu stabilisieren. Mit der Entwicklung der Leistungselektronik und der kontinuierlichen Verbesserung der theoretischen Forschung und der Fertigungsprozesse für leistungselektronische Bauelemente haben diese hinsichtlich Kapazität, Spannungsfestigkeit, Eigenschaften und Typen große Fortschritte erzielt. In den 1990er Jahren wurden leistungselektronische Geräte hinsichtlich höherer Kapazität, höherer Frequenz, schnellerer Reaktionszeiten und geringerer Verluste weiterentwickelt. Als AC-Frequenzumrichter, der moderne Leistungselektronik und Mikrocomputertechnologie vereint, hat seine Entwicklung, Innovation und breite Anwendung eine bedeutende technologische Revolution im Bereich der Drehzahlregelung von AC-Asynchronmotoren ausgelöst. Aktuell nutzen alle in automatischen Konstantdruck-Wasserversorgungssystemen eingesetzten Drehzahlregler AC-Frequenzumrichtertechnologie, während die Systemsteuerung über eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) erfolgt. Die SPS übernimmt nicht nur die logische Ansteuerung von Pumpengruppen und Ventilen, sondern auch die digitale PID-Regelung des Systems. Sie überwacht verschiedene Betriebsparameter und Kontrollpunkte in Echtzeit und führt Funktionen wie die Anzeige des Systembetriebszustands auf einem Bildschirm, Fehlermeldungen und den Berichtsdruck aus. Automatische Konstantdruck-Wasserversorgungssysteme verfügen über standardisierte Kommunikationsschnittstellen, die eine Vernetzung mit dem Host-Rechner des städtischen Wasserversorgungssystems ermöglichen. Dies optimiert die Steuerung des städtischen Wasserversorgungssystems und bietet moderne Möglichkeiten für die Planung, Verwaltung, Überwachung und den wirtschaftlichen Betrieb. 2. Regelungsschema: Da das Rohrleitungsnetz eines Wasserwerks für Wohngebiete geschlossen ist, wird die Fördermenge der Pumpstation durch den Wasserverbrauch der Nutzer bestimmt. Der Förderdruck der Pumpstation basiert auf folgendem Zusammenhang zwischen dem Druckverlust ΔP am ungünstigsten Druckpunkt im Rohrleitungsnetz und der Fördermenge Q: ΔP = KQ²; wobei K ein Koeffizient ist. Sei PL der minimal erforderliche Druck am ungünstigsten Druckpunkt. Der Druck P am Hauptauslass der Pumpstation sollte dann gemäß folgender Beziehung eingestellt werden, um den Wasserbedarf der Nutzer zu decken und gleichzeitig den besten Energiespareffekt zu erzielen: P = PL + ΔP = PL + KQ². Daher muss der Solldruck des Wasserversorgungssystems kontinuierlich an die Änderung der Fördermenge angepasst werden. Diese Technologie zur Wasserversorgung mit konstantem Druck wird als variable Konstantdruck-Wasserversorgung bezeichnet. Das bedeutet, dass der Wasserdruck am ungünstigsten Punkt des Wasserversorgungssystems konstant ist, während der Druck in der Hauptauslassleitung der Pumpstation stufenlos einstellbar ist. Ein typisches Blockdiagramm eines automatischen Konstantdruck-Wasserversorgungssystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System regelt den Druck in der Hauptauslassleitung der Wasserpumpe konstant und ermöglicht eine variable Durchflussmenge. Druck- und Durchflusssensoren in der Hauptauslassleitung wandeln nicht-elektrische Druck- und Durchflusssignale in Echtzeit in elektrische Signale um, die dem Eingangsmodul der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) zugeführt werden. Nach der Signalverarbeitung durch die CPU wird das Signal mit dem Sollwert verglichen, um die optimalen Betriebsparameter zu ermitteln. Das Ausgangsmodul des Systems gibt Steuerbefehle und den Sollwert der Frequenz des Frequenzumrichters aus, um die Anzahl der in Betrieb befindlichen Wasserpumpen und deren Betriebszustände zu steuern. Gemäß den CPU-Befehlen realisiert das System außerdem Sanftanlauf, sanftes Schalten und den Betrieb mit variabler Frequenz für jede Wasserpumpe. Das System kann den Umwälzbetrieb der Pumpengruppe automatisch an den Wasserverbrauch des Nutzers anpassen, um die Systemstabilität und die Wasserqualität zu verbessern. 3. Systemfunktionen: Dieses System verwendet einen Frequenzumrichter der Firma Zhongyuan. Es verfügt über folgende Funktionen: 3.1 Automatische Umschaltung zwischen variabler Frequenz und Netzfrequenzbetrieb: Der Frequenzumrichter bietet drei verschiedene Betriebsmodi: Modus 0: Basisbetrieb. Der Frequenzumrichter betreibt stets eine Pumpe und steuert den Start und Stopp der übrigen Hilfspumpen in Echtzeit entsprechend seiner Ausgangsfrequenz. Das heißt, sobald die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters ihren Maximalwert erreicht, startet eine Hilfspumpe und läuft mit Netzfrequenz; erreicht die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters ihren Minimalwert, stoppt die zuletzt gestartete Hilfspumpe. Dadurch wird die Anzahl der mit Netzfrequenz laufenden Pumpen reguliert. Modus 1: Wechselbetrieb. Der Frequenzumrichter betreibt üblicherweise eine Pumpe mit fester Frequenz und hält die Hilfspumpen entsprechend seiner Ausgangsfrequenz mit Netzfrequenz am Laufen. Dieser Modus unterscheidet sich von Methode 0 dadurch, dass bei der vorherigen Pumpenstartsequenz Pumpe 1 → Pumpe 2 nach dem Stopp des Frequenzumrichterausgangs die nächste Startsequenz Pumpe 2 → Pumpe 1 lautet. Methode 2: Direkter Modus. Bei Eingang eines Startsignals startet der Frequenzumrichter die erste Pumpe. Sobald diese ihre maximale Frequenz erreicht hat, schaltet der Frequenzumrichter die Pumpe auf Netzfrequenzbetrieb um und startet die nächste Pumpe mit der variablen Frequenz. Umgekehrt stoppt die zuerst gestartete Pumpe, sobald die Pumpenstoppbedingung erfüllt ist. 3.2 Die PID-Regelfunktion nutzt das vom Drucksensor direkt an den A/D-Wandler der SPS zurückgeführte Wasserdrucksignal (4–20 mA oder -5 V) (über ein Handprogrammiergerät). Der vorgegebene Druckwert und die PID-Parameterwerte werden eingestellt, und die SPS berechnet die notwendigen Pumpenschaltungen zur Systemsteuerung. Die Systemparameter werden während des Betriebs angepasst, um ein optimales Regelverhalten zu gewährleisten. 3.3 Die „Schlaf“-Funktion ist für Situationen mit geringem oder keinem Wasserverbrauch (z. B. nachts) vorgesehen. Um Energie zu sparen, verfügt das System über eine spezielle „Schlaffunktion“, die den Pumpenbetrieb unterbricht. Sobald die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters unter ihren unteren Grenzwert fällt, schaltet sich der Wechselrichter ab, die Pumpen 2 und 3 stellen ihren Betrieb ein und die Pumpen schalten in den Schlafmodus. Steigt der Wasserdruck weiter an, stoppt Pumpe 1. Sinkt der Wasserdruck auf einen bestimmten Wert, startet der Wechselrichter zunächst Pumpe 2 oder 3. Sobald die Frequenz einen bestimmten Wert erreicht, passt Pumpe 1 die Drehzahl von Pumpe 2 oder 3 an. Der „Schlafwert“ wird durch die untere Grenzfrequenz des Wechselrichterausgangs (F507) festgelegt. Die „Schlafbestätigungszeit“ wird über den Parameter F506 eingestellt. Solange die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters für einen Zeitraum unterhalb der Schlafzeit td (d. h. td < tn) unter dem Schlafwert liegt, arbeitet der Wechselrichter weiter. Ist td > tn, wechselt der Wechselrichter in den Schlafmodus. Der „Aufwachwert“ wird durch den unteren Grenzwert des Wasserversorgungsdrucks ausgelöst. Wenn der Wasserdruck unter den unteren Grenzwert fällt, gibt die SPS einen Befehl zum Aufwecken des Frequenzumrichters aus. Der getestete „Schlafwert“ beträgt 10 Hz. „Schlafbestätigungszeit“ td: 20 s. „Aufweckwert“ 70 %. 3.4 Kommunikationsfunktion: Dieses System verfügt über Computerkommunikationsfunktionen. Sowohl die SPS als auch der Frequenzumrichter bieten RS232- oder RS485-Schnittstellen. Die SPS kann eine Siemens S7-200 oder eine Mitsubishi FX-SPS sein. Sie kann mit einem oder mehreren Systemen kommunizieren. Der Computer kann gleichzeitig Strom, Spannung, Frequenz, Drehzahl, Druck usw. überwachen und verschiedene Parameter des Frequenzumrichters steuern. Darüber hinaus verfügt das System über Funktionen für manuellen/automatischen Betrieb, Fehleralarm, Betriebszustandsanzeige, Strom-, Spannungs- und Frequenzstatusanzeige sowie Schutz vor Wassermangel. 4. Betriebsmerkmale: Am Beispiel eines Konstantdruck-Wasserversorgungssystems mit drei Pumpen steuert die SPS im Automatikbetrieb den Frequenzumrichter zum Sanftanlauf der ersten Pumpe. Pumpe 1 schaltet nun in den Frequenzumrichterbetrieb und ihre Drehzahl erhöht sich allmählich. Sobald die Wasserzufuhr Q < 1/3Qmax (Qmax ist die maximale Fördermenge aller drei Pumpen bei voller Frequenz) beträgt, passt die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) die Drehzahl von Pumpe 1 automatisch an die sich ändernde Wasserzufuhr an, um den erforderlichen Wasserdruck zu gewährleisten. Wenn der Wasserverbrauch Q 1/3 Qmax beträgt und die externe Wasserzufuhr auf 1/3 Qmax sinkt, ergibt sich Folgendes: 5. Wirtschaftlichkeitsanalyse und Systemvorteile 5.1 Wirtschaftlichkeitsanalyse Der Zusammenhang zwischen der variablen Pumpenleistung N1, der Wasserzufuhr Q1 und der Pumpendrehzahl n1 ist wie folgt: N1/Q1 = (n1/n)³ Q1/Q = n1/n, wobei Q die Nennfördermenge und Q1 die Nennfördermenge ist. Da bei einer Nennfördermenge von Q = 100 %, n = 100 %, N = 100 %, und wenn n1 = 90 % n, Q1 = 90 % Q, N1 = 72,9 % N, dann können 27,1 % Strom eingespart werden. Wenn n1 = 80 % n, Q1 = 80 % Q, N1 = 51,2 % N, dann können 48,8 % Strom eingespart werden. 5.2 Systemvorteile 5.2.1 Die Technologie der Wasserversorgung mit konstantem Druck nutzt einen Frequenzumrichter, um die Motorfrequenz zu ändern und dadurch die Pumpendrehzahl und den Pumpenausgangsdruck anzupassen. Im Vergleich zur Regelung des Pumpenausgangsdrucks über Regelventile reduziert dieses Verfahren den Leitungswiderstand und die Durchflussverluste deutlich. 5.2.2 Da die Pumpe mit Frequenzumrichter arbeitet, sinkt ihre Drehzahl, wenn der Auslassdurchfluss unter dem Nenndurchfluss liegt. Dies reduziert den Lagerverschleiß und die Wärmeentwicklung und verlängert die mechanische Lebensdauer von Pumpe und Motor. 5.2.3 Die automatische Regelung des konstanten Drucks macht häufige Bedienereingriffe überflüssig, reduziert den Arbeitsaufwand und spart Personal. 5.2.4 Der Pumpenmotor arbeitet mit einem Sanftanlaufverfahren und beschleunigt entsprechend einer voreingestellten Beschleunigungszeit. Dadurch werden Stromspitzen beim Anlauf vermieden, die Spannungsschwankungen im Stromnetz verursachen könnten, sowie Überspannungen im Pumpensystem durch plötzliche Motorbeschleunigung verhindert. 5.2.5 Da die Pumpe mit Frequenzumrichter arbeitet, wird ihre Drehzahl im Betrieb durch die externe Wasserversorgung bestimmt. Das System spart daher im Betrieb erheblich Energie und erzielt dadurch signifikante wirtschaftliche Vorteile. Aufgrund seiner hohen Energieeinsparung amortisiert es sich schnell und bietet langfristige Vorteile; auch der gesellschaftliche Nutzen ist enorm.