水泵控制国外研究进展论文

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随着世界经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效利用和有效管理越来越得到世界各国政府的高度重视。以“水—可持续发展的关键”为主题的国际淡水会议于2002年12月3日在德国波恩拉开序幕。世界各国先后出台了水资源调度及综合利用、水土保持、按用途优化用水及海水淡化等方针政策，并以此来解决日益严重的水危机问题。泵站——水的唯一人工动力来源，作为重要的工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代的作用。同时，泵站在防洪、排涝和抗旱减灾，以及工农业用水和城乡居民生活供水等方面发挥着重要作用。另外，泵站为耗能大户，节能和节水问题一样重要。因此，泵站的经济运行和优化管理就显得尤为重要。1 国外泵站工程的发展状况泵站是解决洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化当今三大水资源问题的有效工程措施之一。它们承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和供水的重任，主要用于农田排灌、城市给排水以及跨流域调水等。泵站与其它水利建筑物不同，它无需修建挡水和引水建筑物，对资源和环境无影响，受水源、地形、地质等条件的影响较小，且具有投资省、成本低、工期短、见效快、灵活机动等优点。但是，泵站运行要耗能，设备维护和更新费用高。尽管如此，许多国家还是把泵站工程建设列为优先考虑的重点。尤其是荷兰、日本、原苏联和美国等国家，他们的发展速度较快，技术更先进，管理更完善，有许多东西值得我们借鉴和学习。 荷兰泵站工程发展状况荷兰是一个地势低洼的国家，约有四分之一的国土面积低于海平面，历史上即以筑堤、排水、围海造田而著称，再加上部分地区开垦沼泽地等，其排水问题十分突出。为了解决这些矛盾，荷兰政府兴建了众多的大型排水泵站，迄今已从围海造田中增加土地面积约60万公顷。荷兰排水泵站的特点是扬程低、流量大。如1973年兴建的爱茅顿排水泵站，最大扬程仅，单机流量，总排水能力150 m3/s，并有可能在将来扩大至350～400 m3/s.荷兰目前已建成的大型泵站有600多座，安装口径以上的大型水泵机组2400多台（荷兰泵的转速高，其口径相当于我国口径以上的大泵），其泵站的数量和大泵的台数都是我国泵站数量的三倍以上。在水泵设计及装置配套方面，荷兰有世界著名的水力机械专家，可对水泵装置进行性能测试、水锤计算、模型试验等；在机械方面，可进行振动计算和测量、性能和噪音的监测等。他们还广泛利用计算机，从计算机辅助选型（CAS）、计算机辅助设计（CAD）到计算机辅助制造（CAM）；从水力、结构优化设计到叶片、导叶加工的严格控制，全程使用计算机，使产品在高度先进的设计和工艺基础上制造出来。荷兰比较注重科研的投入，科研力量很强，研究机构齐全，设施非常完善，对水泵及其进、出水流道均有比较系统的研究。完美的设计和制造，提高了机组的性能指标，增加了泵站运行的安全性和稳定性。 日本泵站工程发展状况日本是一个岛国，国土面积大部分为山地、丘陵，人均拥有的耕地面积较少。为获得土地面积，日本采用了大规模拦海造地的方法，同时兴建了一批排水泵站，以解决易涝地区的排渍问题。日本灌排事业的形成与发展，始终与水稻种植的历史相关。大约公元前3世纪前后，以容易灌溉的地区为中心开始了水稻的种植。修建了许多简易的水渠和小型池塘。后来，农业生产力水平逐渐提高，农田灌溉设施逐步向全国发展。19世纪前后，围绕大河流域的水田开发取得进展，初步形成现在日本水田面积300万hm2的规模。1868年明治维新后，近代科学技术和日本传统的水田农业技术结合，日本的灌溉排水设施得到广泛建设，不断发展提高。1970年前后，日本大米过剩，政府开始推行调整农业产业结构的政策，灌溉排水设施的建设从原来以水田为中心转入以旱地为中心。进入1990年后，随着灌溉排水设施以新建改良为主的制度逐步完善，以大河下游沼泽为中心，积极推行了旨在提高生产率的排水设施建设。目前，日本由国家投资兴建的水库、水渠、水闸、泵站等骨干水利设施共1443项，灌排水渠总长17810km.全国共有7400个土地改良区，控制面积340万hm2.现在的日本灌排事业，已远远超过了因种植水稻而必须具备的功能。所到之处，灌溉排水设施与自然密切共存，相依相伴。它们在贮存地下水、防洪、防污治污、国土治理的生态环境中，发挥着极为重要的作用，维护和创造了日本优美的农村景观和人文文化。在该国众多的大型泵站中，新川河口和三乡排水站是较有代表性的。新川河口排水站共装有6台直径为的贯流式水泵，扬程，单台泵流量40 m3/s，排水受益面积30万亩。三乡排水站装有直径为的混流泵，单台泵流量50 m3/s，设计扬程 原苏联泵站工程发展状况原苏联年降水量约90430亿m3，形成河川径流量40430亿m3，人均年径流量27820m3.另外，还有境外的年入境流量2270亿m3，地下水资源量7875亿m3/年。原苏联的水资源开发程度较高，水工建设水平堪称世界一流。原苏联大型泵站的建设，除了应用于平原地区的农业排灌外，主要用于扬程较高的运河供水以及跨流域调水等。如已建成的莫斯科运河上的梯级泵站，以及从北方河流调水200～250亿m3水量输送到伏尔加河流域的北水南调工程。原苏联大型水泵（轴流泵）具有转速高、扬程高、流量大等特点，其技术性能指标水平比较先进，但水泵结构型式比较单一，其传动方式一般采用与电动机直联，故电动机体积大而笨重，泵站投资相应增加。 美国泵站工程发展状况以美国西部的灌排事业发展为例。1902年，美国会通过《灌溉法案》，拉开了西部17个州水利建设的序幕。20世纪30年代初遭遇经济大萧条后，总统富兰克林？罗斯福提出“新政”，把以水利设施为主的公共工程建设作为刺激经济的重要手段之一。大批水力发电、防洪、灌溉、调水等综合性工程纷纷上马，全国水利建设达到空前高潮。 经过近一百年的努力，已建成并管理345座水库、254座大坝、267座泵站、万km渠道、2300km输水干管、950km隧洞和58座水电站，这些水资源开发利用的骨干工程的建设和建成，为西部的社会和经济发展奠定了坚实的基础，解决了3100万人的用水问题，为西部1000万英亩农田提供了灌溉水，这些农田生产的蔬菜目前在全美蔬菜总产量中占到60%.美国拥有世界上流量和扬程最大的泵站—埃德蒙斯顿泵站。它位于美国加州中部圣华金河谷地区的贝克斯菲尔德市南郊，是全长864公里加州北水南调工程干渠上22座大型泵站之一（将水从加州北部干渠越过Tehachapi山脉输送到加州南部）。埃德蒙斯顿泵站装有14台泵，每台泵的流量为9m3/s，需提供的静扬程为587m（不包括管路损失），效率为，转速是600r/m（与电动机同），配套电动机功率为8万马力（近6万kW）。泵站总流量为125 m3/s，配套总功率112万马力，年耗电量约60亿kW？h.水泵为立轴4级串联，高，转轮直径，重220吨。水泵与电动机直联，机组总高近20m，重420吨。该工程于1951年5月提出方案论证，1965年5月最终确定方案，1971年9月正式提出实施1984年完成最后3台机组的安装，工程总投资约亿美元。2 国外泵站的运行、管理及自动化国外泵站在运行、管理方面自动化程度高，监控系统完善。这样，既提高了泵站运行的安全性、可靠性和经济性，又节约了人力资源，为工程的维护提供了可靠依据。其中，泵站在运行、管理方面自动化程度高的有美国、日本、英国、荷兰和前苏联等。 美国西部泵站的运行、管理及自动化美国西部调水工程的建设和管理经验表明，对系统实行集中统一调度具有许多优越性。（l）加州的调水工程由水资源部统一管理运行，并于1964～1974年安装了控制系统，包括计算机、通信和电子设备。该系统可对17座泵站和电厂，71座节制闸的198个闸门和其他各种设备、设施实行计算机通信、监控、检测和调度。为便于工程的控制和运用，除在萨克拉门托市设置中央控制室外，还在奥洛维尔、三角洲、圣路易斯、圣华金和南加州等5个区域设置分控制中心。中央控制室负责所有工程的管理和协调，同时也兼作其各分控制中心的备用。整个控制系统的投资为1350万美元，其中中央控制系统为260万美元。中央控制系统主要由计算机系统、CRT系统、调度控制台、模拟屏、打印系统和通信系统组成。其中，模拟屏高 3 m，长 16 m，带有警铃装置。一旦出现事故或非常情况，警铃会自动报警。（2）中央亚利桑那工程，其集中控制系统称程序可控的主监控系统。控制系统包括主控制站（该站配有2台高级计算机和用于联机控制及新程序开发的软件）、遥控终端单元（该单元设在泵站、控制建筑物和分水口等地方）、通信系统、遥控终端屏蔽室、备用电源、闸门控制和传感器、泵站控制器等。调水工程管理不仅是调配水量，而且还对区域内总的水资源（包括地下水、地表水及外来水等）实行统一管理。比如对地下水的抽取，一般规定超采量不准超过可开采量的10%，否则要及时地进行人工回灌，这些均要纳入供水计划。 日本水管理和泵站工程自动化日本水管理几乎全部实现了自动化。工程设施和自动化设备均有明确的使用期限，一般规定10～20年更新一次。所以，六七十年代兴建的水利工程和安装的设备，现已完成改造、扩建和安装新的计算机系统。监控系统大都采用集中管理的分层分布式结构，即在一个水系上设有中央管理站，采用计算机和遥测、遥控装置对各种泵站、水工建筑物、渠道等进行集中监控，以达到水资源综合利用的目的。各分站和中央管理站之间采用无线电进行联系，也有采用国家专用电话线进行联系的，七八十年代新装的设备大多采用微波通信。水管理系统的监控设备随着CRT的高密度化，辅助存贮器的小型化、大容量化以及微型计算机的普及和个性化等，大大地提高了工程的自动化水平。大型泵站由于设备比较集中，易于实现自动化。例如，新川河口排水站装有6台贯流式轴流泵，扬程，单台泵流量40m3/s，该站的水泵及其他设备均由中央控制室远距离操作。为保证新川河口的水位稳定在设计范围内，采用自动调节水泵叶片安装角和自动选择运转台数的控制机构，并根据内外水位差的变化，可发出开启自动排水闸的信号。该站的其他辅助设备和自动清污装置，也均由中央控制室操作。 欧洲泵站工程自动化（1）罗马尼亚提水灌区的自动化。1971～1978年英国乔治？温比（George Wimpy）公司为罗马尼亚奥尔特？卡尔马齐提水灌区设计了用计算机控制的自动化系统。该灌区是欧洲最大的自动化灌区，它自多瑙河提水，一级泵站采用浮动式泵房，安装5台立式轴流泵，提水36 m3/s；二级泵站和三级泵站安装若干台立式离心泵，然后通过34个小型加压泵站，送入田间喷灌系统，灌溉 47万 hm2农田。（2）荷兰、奥地利、法国泵站的自动化。在欧洲，泵站自动化程度较高。荷兰、奥地利的一些泵站，基本上都实现了全自动监控。荷兰泵站采用的自动化仪表多为智能型，这种仪表很先进，如功率表、水位表、水位计等，它本身能长期进行自动记录，一般数据不存档。3 国外泵站工程的管理体制和经费来源和其他水利工程一样，“有法可依、有法必依”是泵站工程稳定发展的基础和保证，充足的经费是泵站保证正常持续运转、实行有效管理的动力源泉。不同制度下的国家对泵站工程投资、管理的方法不同，其中管理、投资体制比较完善的国家有日本、荷兰和美国等。 日本泵站工程的管理体制和经费来源（1）灌排设施建设的申请立项日本通过泵站工程和灌排设施的建设，达到土地改良的目的。在土地改良地区范围内，需由国家或县（都、道、府）出资新建的项目，应由15名以上的农户提出申请，由有资格参加事业的农户同意并负担费用。改建项目可通过全体大会决议后申请。（2）工程建设的管理新建灌溉排水设施、规划治理工程的建设项目管理，通常根据工程规模大小和技术复杂程度等条件，由土地改良区、村（市、町）政府、县（都、道、府）政府或国家主持，并按事业主体单位的不同，划分为团体营事业（土地改良区或市、町、村项目）或公团营事业（县、国家项目）等，实行分级管理。它们在《土地改良法》、《公团法》及县府条例、市町村条例中，都有明确的规定。（3）灌排设施的维护与管理灌排工程设施，建成后原则上交给利用该建设设施的土地改良区在自觉且负担费用的情况下管理。不仅要求他们管理好这些设施，维护其功能，而且还要通过运转和操作设施来管好当地的水资源。（4）土地改良区农民的经费负担土地改良区受益农户的经费负担，分为建设费和运行管理费两种。建设费根据工程的大小、性质来定。一般的灌溉排水设施，受益面积在3000hm2以上的（北海道为1000hm2以上），国家投资75%～80%，县（都、道、府）投资5%～17%，村（市、町）和农户分别承担其余部分，农户一般负担低于10%.对大型工程，因投资较大，往往出现农户难于一次付清的情况。对此，农民可以从国家设立的“农林渔业金融公库”接受长期的低息贷款，年息一般在2%左右，10年宽限期，用15年还清。也就是说，工程受益后，农民用25年时间还清贷款。小于3000hm2（北海道为1000hm2以下）的灌区，由县（都、道、府）负责，市（町、村）只负责200hm2以下的小型灌区。属于只有社会效益的环境治理工程，如用于防洪、排涝的堤防和泵站等，则无论工程大小，均由国家承担。土地改良区受益农户的运行管理经费负担金，因考虑到丰水年不一定要动用灌溉设施，所以按实际控制面积分摊，一般为收3000日元，而不以实际灌溉水量和灌溉面积计收水费。据分析，农户负担的工程建设费用与运行管理费的总和，约占农户收入的5%以下。（5）中央政府及县对土地改良区的监督土地改良区必须接受农林水产大臣或县知事的监督。这种监督包括督促土地改良区遵守法令和章程，认真地履行土地改良事业，以及管理好土地改良区等。也可以要求当地提供业务报告、会计报告或进行实地检查等，如检查发现有违规现象，则有权令其纠正。 美国泵站工程的管理体制和经费来源美国是联邦制国家，各州都有相当大的立法权，州政府与联邦政府的关系相对较为松散，这就形成了其在泵站管理上实行以州为基本单位的管理体制。在政治体制上，美国实行私有制，在经济管理上，政府主要任务是基础设施的建设。在过去的一百多年里，联邦政府对水利建设十分重视，兴建了一大批水利设施，收到了明显的经济效益。近二十年来，由于联邦财政困难，其职责更多地由州政府履行，从而更加确立了以州为基本管理单位的管理体制。泵站的运行管理费用则由受益人根据受益的多少来承担。以城市供水为例，它主要通过向用水部门和个人征收水费而获得。在水费的具体收费办法上，各地一般分为七至八项。第一项为发行供水债券，主要用于新增供水及污水处理能力；第二项为地产税中有10%左右为水资源税；第三项为供水与污水处理统一收费；第四项为地下管线接管费；第五项为家庭排污年附加费；第六项为企业单位废水检测费；第七项为取水许可费及违规罚款等。水费的定价为一年一定。每年各城市及各供水区的水务部门会同用户代表，对下一年度的水供需情况进行分析，同时对下一年度的供水及污水处理的财务情况也进行预测，在财务平衡的基础上制订水价。美国政府对水的管理主要集中在水权的管理。至于供水、配水的管理，则主要依靠市场自发的调节和民间机构的运作。尤其在农村，水的管理主要是通过一些灌溉公司或民间组织来进行，灌溉公司主要由水权拥有人组成。这样，既减少了政府的直接干预，也降低了政府在水资源管理方面的开支，使得政府机构运作效率更高，可以集中精力进行水管理中的重大问题的研究和决策，也避免了由于政府直接干预过多造成的效率低下问题。在加州，中央河谷工程共兴建了约20座水坝和水库以及长达800多公里的运河等，水力发电产生的电力可满足200万人的需求，加州10个农业高产县中有6个靠这一工程供水。据估计，美联邦政府在中央河谷工程上投资30亿美元，在农业等领域共产生了约100倍的回报。而包括32座水库和湖泊、1000多公里运河的加州北水南调工程，也帮助解决了占该州总人口三分之二的约2300万居民以及数千家企业的用水问题，满足了66万英亩农田的灌溉需求。以上数据表明，水利工程，特别是泵站工程在获得减灾、抗旱和排涝等直接效益的同时，还在工业增产、农业增收、人民正常生产生活等方面获得间接效益。所以，由受益单位和个人来支付其运行管理费用是不无道理的。33 荷兰泵站工程的管理体制和经费来源荷兰采用水务一体化管理的历史悠久，对水利工程的投资与管理采取统一的管理模式，泵站的投资与管理也是如此。关于荷兰泵站的管理成本及资金来源问题，荷兰政府在提供经费方面提供了三项优先权：一是成本应由那些受益部门及职责部门负担；二是如果水主管部门的投资不能被专项拨给的话，这些投资将会以税的形式分摊到各受益者或有连带责任的成员当中；三是如果以上两种方法都是不可能的，资金将会从国家的专项预算中列支。第一项优先权意味着按照成文法规而建立的新工程投资应当由企业本身去支付。按第二项优先权，由水务局具体执行的堤防投资及具体的地方与地区水管理所需要的投资是由用户来支付，这主要是根据用户受益的大小来决定他们的税额及权限。按第三种优先权，国家和省在与其他部门协调治水活动中的资金投入主要来自于国家预算。而且对于那些大的工程，如防洪大坝、拦海大堤的投资及对于可操作性强的起核心作用的水管理方面的投资也是从中央预算中列支。对于由省负责的地下水管理的投入，部分是靠征税来获得，即根据工业和饮用水的地下开采量征税，多用水多交税。1994年主管水的公共事业部门总共投入了60亿荷兰盾，用于防洪和水质、水量管理。这部分的投入占国民收入的1%。这60亿荷兰盾的投入并不包含供饮用水和私人部门的投入。对于公共水管理的资金来源，有如下四个方面：国家预算、按利润分配原则由水务局所征收的税、由水务局根据“排污者付费原则”所征收的排污费以及由民政部门收取的生活污水治理费等。4 国外泵站技术和管理制度值得学习和借鉴的地方 国外泵站技术装备好、自动化程度高国外水泵的性能指标明显优于国内，机组的结构、配套和传动方式也丰富多彩。国外大型水泵生产企业制造出来的泵，一般具有转速高、体积小、重量轻等优点，其流量是我国同口径水泵流量的倍。如荷兰的水泵与我国的水泵性能相同，但前者的重量为吨，后者的重量却是48吨，两者相差一倍以上。另外，采用齿轮传动，可以大幅度地减小电动机的体积和重量。如荷兰口径的贯流泵，采用齿轮变速传动的结构设计后，与其配套的高速电机直径仅，电机和齿轮箱的总重量是15吨。如果将这台泵改用我国的直接传动，其电机直径将由原来的增加到，重量由15吨增加到49吨。由此可见，国外机组的高速化，不仅使机组的体积减小、重量变轻，而且还使厂房和土建投资大幅度降低，特别是考虑不同机组的装置形式（立、卧、斜式）对泵房结构的影响后，这种效果更明显。国外水利工程建设，十分注意严把质量关。如荷兰的水泵生产和泵站管理，两者在业务上的关系要比我国密切得多，水泵厂的设计人员对泵站的运行管理非常熟悉，他们与泵站管理单位在设计、生产、制造、试验、安装、调试、运行和检修等各个环节上配合默契，协调一致。水泵的内外表面平整光滑，叶片铝青铜表面加工光洁度高。这样就确保了水泵符合泵站的使用要求，不仅效率高，空化性能好，而且大大地延长了水泵的使用寿命，减少了事故的发生。而国内的泵站质量是令人置疑的。如某些泵站，运行一段时间后就发生地基下陷和建筑物开裂。国内水泵品种规格较少、结构形式单一、制造质量普遍较差，价格方面甚至低于与其配套的电动机。泵站设计时，只能选用性能差不多的那么几种定型产品，这样不但降低了泵站效率，而且还留下了许多不安全隐患。国外泵站的自动化程度较高，对泵站运行的各种指标、长期跟踪、监测和记录，随时发现问题可随时加以解决。同时，记录下来的数据也将成为水泵开发和性能完善的依据。另外，自动化大大减少了事故的发生，也减少了泵站的管理工作人员。如美国，几十公里的输水干线上，只有几个工作人员。国内泵站一般建于六七十年代，设备陈旧，自动化程度低，往往采用经验管理和定期大修的办法。这样，大大地影响了泵站经济，增加了管理开支，造成经济上不必要的损失。 国外泵站运行管理人员少、素质好、社会分工严密国外泵站运行管理人员只相当于我国的1/10，而运行管理有条不紊，长期保持正常运转。以荷兰为例，事实上，STORK泵厂负责核心部件的生产和总装，泵站的管理人员只负责值班运行、小规模的检修和大规模的检查，而大规模的检修则由泵厂完成，甚至于清洁卫生工作都由专业人员承包，更没有沉重的行政包袱。这些社会分工与协作方面的成功经验，值得我们认真研究和借鉴学习。国外泵站一般采用懂专业、有经验的管理人员。在泵站运行中，可以及时发现问题，并能正确地处理突发事件。而国内许多泵站管理人员素质差，专业技能低，地方保护严重，不注重人才的培养和新技术的引用，导致泵站运行管理水平相当落后。 国外十分注重工程的维护和保养、运行管理费用充足国外泵站的清洁工作做得好，一般都配有清污、清淤机械，它是保证泵站安全运行、节能、减少水泵磨损、延长机组寿命必不可少的泵站设备。但国内泵站的水泵工作环境差，设施不配套，很多泵站都没有配置清污机械，已设置的也不好用，问题在于关键技术不掌握，落后，资金投入也不足。在费用方面，国外泵站以受益者支付或国家拨款等方式获得充足的资金，有条件、有能力根据不同的需求进行改造、维修和扩建。而我国泵站建设资金短缺，且许多泵站主体工程在一次性投资建成后，工程配套滞后，续建费用少，这样就使一部分泵站长期不配套，工程迟迟达不到设计效益。另外，泵站运行管理资金少，甚至连职工工资都无保障，更谈不上泵站机电设备的更新和改造。5 结 语泵站是为水提供势能和压能，解决无自流条件下的排灌、供水和水资源调配问题的唯一动力来源，是解决洪涝灾害、干旱缺水的重要工程措施和实现水利现代化的重要标志之一。由于泵站的作用和特殊地位，各国都很重视。国外特别是在泵站技术装备、投资和经营管理机制方面，很多都值得我们借鉴和学习。这里只是根据作者收集到的部分资料，特别是一些专家近几年来的考察报告，对国外泵站的发展、运行和管理情况进行了一些归纳和叙述。更多的有待我们更深入的考察、了解、研究和学习，并调整政策，加大投入，脚踏实地地作好工作，力争在较短的时间内，使我国泵站工程的发展出现一个新的局面。参考文献1、 刘竹溪、冯广志主编，中国泵站工程，北京：水利电力出版社，1993；2、 黄良勇，考察荷兰泵站工程的几点体会，机电排灌，；3、 刘润堂，日本灌排事业与土地改良，中国水利科技网；4、 钟 震、沈日迈等，国内外泵站监控自动化技术设备现状与发展，中国农村水利水电，；5、 赵乐诗，我国泵站建设与管理的现状和任务，农田水利与小水电，；更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

国外特别是俄罗斯的科研人员对矿井排水的各个方面进行了大量的研究。俄罗斯国立莫斯科开放大学教授、技术科学博士波波夫教授、巴塔诺戈夫技术科学副博士和北乌拉尔铝土矿生产联合公司工程师沙尔塔诺夫通过对2000～ 3500kW异步电动机直接投入电网全电压起动与矿井高扬程水泵双电机拖动的比较，指出了矿井排水高扬程水泵采用双电机拖动的无可争辩的优越性。简要介绍矿井高扬程水泵双电机拖动装置的结构、技术性能、实际运行情况及较适用的方案，此外，还探讨了矿井高扬程水泵双电机拖动设计和运行中需要注意的一些问题。为了提高矿井排水设备运行的经济性，必须对水泵的使用期和管道的清理周期进行优化。俄罗斯国立莫斯科开放大学技术科学副博士.马祖连科依据费用相等的原则，推导出水泵最佳使用期和管道清理周期的两种形式相似的计算公式。详细介绍了优化式的求解程序、有关参数的计算方法，以及不同使用期的水泵实际流量的测量方法等。论文中推荐的优化方法即使在通货膨胀条件下仍能保持其正确性，因此具有实用价值。矿井排水设备是矿山企业主要的用电设备之一，节能工艺的运用方针，要求在排水设备的设计和使用阶段，都进行能耗估算。俄罗斯莫斯科对外开放大学技术科学副博士.马祖连科介绍了作为排水设备主要类型的离心泵的能耗估算方法，以及离心泵工况点经修正后的能耗估算方法。并以北乌拉尔铝土矿和斯塔哈诺夫煤炭生产联合公司为例。具体介绍了几种工况点经修正后的离心泵能耗估算情况。此外，一些矿产资源丰富的国家，在将自动化技术引进矿业生产方面，取得了突飞猛进的成就。加拿大提出了数字化矿山的概念，建立综合信息基础框架，使全体开采过程与集成化支持系统连成网络;大力发展生产监控方面的传感技术，减小排水设备的自动控制和监测的误差;还要发展遥控机器人和全矿机器人技术。芬兰采矿工业则发布了智能化矿山技术项目，目标是实现实时资源管理和生产控制;全矿范围的信息网络;新型机器和自动化;以及生产及维护的自动化。俄罗斯则针对矿山设备的研制，提出了采用以微处理技术为基础的自动控制和故障诊断系统以及保护和安全操作系统。无论是发展传感器技术，还是建立统一的通信网络，都关系到自动排水系统的发展。在许多发达国家里，矿井水资源管理己进入了系统化管理阶段。集中了规范化、统计化、实时化和运筹化管理水资源质量及水环境的优点，运用了系统论、信息论、控制论和计算机技术，建立起了水资源管理信息系统。他们在采区工作面水文地质探测，地下水动态观测，水害预测，应急堵截水方面和矿井水综合治理方面均有成熟的技术可以让我们借鉴。虽然这些国家没有将排水设备的自动化单独进行研究，但他们将这一方面的内容列入了矿山整体水资源管理的规划之中，将所有的控制信息包括水泵的运行都集中给中心控制室，进行统一控制。

1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.