Zusammenfassung: Herkömmliche Wasserversorgungsanlagen mit variabler Drehzahlregelung und konstantem Druck verwenden häufig speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder PID-Regler mit analogen Ein-/Ausgängen. Die Programmierung von PID-Algorithmen ist komplex, was zu hohen Anlagenkosten und aufwändiger Fehlersuche führt. Mit der Weiterentwicklung der Leistungselektronik konnten Wasserversorgungsanlagen mit konstantem Druck, die mit Frequenzumrichtern mit integrierten PID-Funktionen ausgestattet sind, die Anlagenkosten senken, die Produktionseffizienz steigern und Installations- und Inbetriebnahmezeit verkürzen. Schlüsselwörter: Wasserversorgungsanlage mit variabler Drehzahlregelung und konstantem Druck, PID, Kostenreduzierung, Effizienz. I. Einleitung: Seit der Einführung von Universal-Frequenzumrichtern findet die Technologie der variablen Drehzahlregelung breite Anwendung in verschiedenen Bereichen. Wasserversorgungsanlagen mit variabler Drehzahlregelung und konstantem Druck haben aufgrund ihrer Vorteile wie Energieeinsparung, Sicherheit und der Bereitstellung von qualitativ hochwertigem Wasser eine signifikante Weiterentwicklung in der Praxis erfahren. Mit der rasanten Entwicklung der Leistungselektronik werden die Funktionen von Frequenzumrichtern immer leistungsfähiger. Die optimale Nutzung der vielfältigen integrierten Funktionen von Frequenzumrichtern ist von großer Bedeutung für die rationelle Auslegung von Wasserversorgungsanlagen mit variabler Drehzahlregelung und konstantem Druck, um Kosten zu senken und die Produktqualität zu sichern. II. Traditionelle Auslegungsschemata für drehzahlgeregelte Wasserversorgungsanlagen mit konstantem Druck: Traditionelle drehzahlgeregelte Wasserversorgungsanlagen mit konstantem Druck basieren häufig auf folgenden Auslegungsschemata: Der Frequenzumrichter versorgt den Motor mit einer variablen Frequenz und ermöglicht so eine stufenlose Drehzahlregelung und damit eine kontinuierliche Anpassung des Wasserdrucks im Rohrnetz. Sensoren erfassen den Wasserdruck im Rohrnetz, und die Druckeinstelleinheit stellt dem System den gewünschten Druckwert bereit, der den Anforderungen des Nutzers entspricht. Nach Eingabe des Druckeinstellsignals und des Druckrückmeldesignals in die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) berechnet deren internes PID-Regelprogramm ein Drehzahlregelungssignal für den Frequenzumrichter und gibt dieses aus. Alternativ können das Druckeinstellsignal und das Druckrückmeldesignal auch an den PID-Regler gesendet werden, der intern Berechnungen durchführt und ein Drehzahlregelungssignal für den Frequenzumrichter ausgibt (siehe gestrichelte Linie in Abbildung 1). Typische Wasserversorgungsanlagen steuern ein bis drei Wasserpumpen, von denen ein bis zwei in Betrieb und eine im Standby-Modus ist. In der Regel ist nur eine dieser Pumpen eine frequenzumrichterbetriebene Pumpe. Sobald die Wasserversorgungsanlage in Betrieb genommen wird, startet zunächst die Frequenzumrichterpumpe. Sobald der Wasserdruck im Leitungsnetz den Sollwert erreicht, stabilisiert sich die Ausgangsfrequenz des Frequenzumrichters auf einem bestimmten Wert. Steigt der Wasserverbrauch und sinkt der Wasserdruck, sendet der Sensor dieses Signal an die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder den PID-Regler. Die SPS oder der PID-Regler sendet daraufhin ein Signal, das höher ist als vor dem Anstieg des Wasserverbrauchs. Dadurch erhöht sich die Ausgangsfrequenz des Umrichters, die Drehzahl der Wasserpumpe und der Wasserdruck. Steigt der Wasserverbrauch so stark an, dass die Ausgangsfrequenz des Umrichters ihren Maximalwert erreicht, der Wasserdruck im Leitungsnetz aber dennoch nicht den Sollwert erreicht, sendet die SPS oder der PID-Regler ein Steuersignal zum Starten einer netzfrequenzbetriebenen Pumpe usw. Umgekehrt wird bei sinkendem Wasserverbrauch und Erreichen des Minimalwerts der Ausgangsfrequenz des Umrichters ein Befehl zum Reduzieren der Anzahl der netzfrequenzbetriebenen Motoren ausgegeben. M1–M3 sind Motoren, P1–P3 Wasserpumpen und JC1–JC6 AC-Schütze zum Starten, Stoppen und Umschalten der Motoren. Da das Drehzahlregelungssignal des Umrichters von der SPS oder dem PID-Regler bereitgestellt wird, muss die SPS über analoge Ein- und Ausgänge verfügen. Da speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) mit analogen Ein-/Ausgängen sehr teuer sind, erhöht dies die Kosten der Wasserversorgungsanlage. Ebenso benötigen SPS mit digitalen Ausgängen eine zusätzliche PWM-Modulationsplatine, um das digitale Ausgangssignal der SPS in ein analoges Signal zur Steuerung der Drehzahl des Frequenzumrichters umzuwandeln. Dies bedeutet, dass die Kosten der SPS nicht sinken, sondern der Verkabelungsaufwand und die zusätzlichen Geräte steigen, was die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems beeinträchtigt. Die Kosten einer SPS mit digitalen Ein-/Ausgängen und eines PID-Reglers entsprechen in etwa denen einer SPS mit analogen Ein-/Ausgängen. Daher ist bei drehzahlgeregelten Wasserversorgungsanlagen mit konstantem Druck die Erzeugung und Ausgabe des PID-Regelsignals ein Schlüsselaspekt zur Kostenreduzierung. III. Lösungen für neue drehzahlgeregelte Wasserversorgungsanlagen mit variabler Frequenz: Um die Schwächen herkömmlicher drehzahlgeregelter Wasserversorgungsanlagen mit variabler Frequenz zu beheben, haben viele ausländische Hersteller in den letzten Jahren neue Produkte auf den Markt gebracht, darunter die Serien ACS600 und ACS400 von ABB, die Serien G11S/P11S von Fuji und die Serie LK600P von Beijing Lingke. Diese Produkte integrieren die Funktionen von PID-Reglern und einfachen programmierbaren Steuerungen in den Frequenzumrichter und bilden so einen neuen Frequenzumrichtertyp mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Der Preis dieses Frequenzumrichtertyps liegt nur geringfügig über dem von Standard-Frequenzumrichtern, sein Funktionsumfang ist jedoch deutlich größer. Daher haben wir dieses neue Designkonzept im neu errichteten Wohngebiet des Kurbelwellenwerks Shandong Wendeng übernommen. In diesem Wasserversorgungssystem wurde der Frequenzumrichter ACS601-0011-3 von ABB mit integrierter PID-Funktion verwendet. Als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) diente die Siemens S7-214-1BC10-0XB0. Das Funktionsprinzip ist in Abbildung 2 dargestellt. M1 und M2 sind Motoren, P1 und P2 Wasserpumpen und JC1 bis JC4 AC-Schütze zum Starten, Stoppen und Umschalten der Motoren. Das System arbeitet mit zwei Pumpen, eine im Betrieb und eine im Standby-Modus. Die Pumpen werden periodisch von der SPS umgeschaltet. Bei hohem Wasserverbrauch kann der Frequenzumrichter über eine programmierbare Schnittstelle ein Signal an die SPS senden, sodass diese beide Pumpen gleichzeitig mit variabler bzw. fester Frequenz betreibt. Das Wasserdrucksignal des Sensors (siehe Abbildung 2) wird direkt an die Eingänge AI2+ und AI2- des integrierten PID-Reglers der SPS angelegt. Die Druckeinstellung kann digital über das Tastenfeld der SPS oder analog über ein Potentiometer an den Eingängen AI1+ und AI1- erfolgen. Durch Auswahl geeigneter PID-Parameter über das Bedienfeld der SPS und Durchführung einer Kalibrierung vor Ort kann das Gerät ordnungsgemäß betrieben werden. Da die PID-Berechnung intern von der SPS durchgeführt wird, entfallen die Anforderungen an die Speicherkapazität der SPS und die Programmierung des PID-Algorithmus. Darüber hinaus ist die Online-Fehlerbehebung der PID-Parameter sehr einfach, was nicht nur die Produktionskosten senkt, sondern auch die Produktionseffizienz deutlich steigert. Da der im Wechselrichter integrierte PID-Regler einen optimierten Algorithmus verwendet, ist die Wasserdruckregelung äußerst gleichmäßig und stabil. Um die Genauigkeit und Integrität des Wasserdruck-Rückmeldesignals zu gewährleisten, kann zudem eine Filterzeitkonstante für das Signal eingestellt und das Rückmeldesignal umgewandelt werden, was die Systemfehlerbehebung sehr einfach und komfortabel macht. Seit der Inbetriebnahme in dieser Wohnanlage im Oktober 1997 hat das Gerät hervorragende Betriebsbedingungen beibehalten und einen sehr stabilen Wasserdruck im Leitungsnetz gewährleistet, was von den Bewohnern der Wohnanlage einhelliges Lob erhalten hat.