【正文】 緒論 1 1 緒論 前景 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求 也 不斷提高。 目前最先進(jìn)的自動化技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用到供水領(lǐng)域，將成為供水系統(tǒng)的新發(fā)展方向?；?PLC 的恒壓供水控制系統(tǒng)更是的到了廣泛的應(yīng)用。 國內(nèi)外研究概況 高層樓宇恒壓供水控 制系統(tǒng)的發(fā)展得益于 變頻 調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，恒壓供水控制系統(tǒng)中的 變頻 器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在供水量大小需求不同時，為了保證管網(wǎng)壓力恒定，在管網(wǎng)終端配備壓力控制器和壓力傳感器，從而實現(xiàn)對壓力的閉環(huán)控制。在初期，由于國外生產(chǎn)的 變頻 器的功能主要局限在頻率控制、正反轉(zhuǎn)控制、升降速控制、起制動控制、變壓 變頻 比控制及其它保護(hù)功能。從早期的相關(guān)資料顯示情況來看，國外的恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計之初都只采用了一臺變頻器帶一臺水泵機(jī)組的方式，因此投資成本較高，不利于系統(tǒng)的大規(guī)模使用和發(fā)展。直至 1968年，丹佛斯公司（丹麥 ）發(fā)明并首家生產(chǎn)了面向多臺設(shè)備的 變頻 器之后， 變頻 技術(shù)的歷史性革新發(fā)展及 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)體現(xiàn)出來的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度高等優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果才被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可。之后國外生產(chǎn) 變頻 器的廠家開始推出能夠同時服務(wù)于多臺工作機(jī)組的 變頻 器。像ABB集團(tuán)（瑞士）推出了 HVAC恒壓供水基板，有“ 變頻 泵固定方式”，“ 變頻 泵循環(huán)方式”雙模式。但這也體現(xiàn)出了這類產(chǎn)品的先天不足，這類設(shè)備雖說微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備投入，但其輸出接口仍缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性能依然不高，與別的設(shè)備之間難以形成有效的數(shù)據(jù)通信， 而且限制了帶負(fù)載的容量。因此，在實際使用時其范圍依然受到諸多的限制。 目前國內(nèi)有不少公司在做 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)的工程，但主要設(shè)備如變頻器，仍大多采用國外品牌。從系統(tǒng)的動態(tài)性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來看，系統(tǒng)依然存在很多缺陷，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到用戶的要求。因此，有待于廠家進(jìn)一步研究改善 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐當(dāng)中，給用戶提供更方便，更簡單的服務(wù)。 即使目前變頻調(diào)速還存在諸多短處，變頻 調(diào)速依然是目前優(yōu)于以往任何一種 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 2 調(diào)速方式 (如調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變極 調(diào)速等 )的控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速已成為當(dāng)今世界上一項性能最好、效益最高、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。以變頻器為核心結(jié)合 PLC組成的控制系統(tǒng)也具有諸多特點，如：高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等。 恒壓供水工藝圖 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 恒壓供水工藝圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計 3 2 高層樓宇恒壓供水系統(tǒng)整體設(shè)計 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、 PLC、壓力變送器和終端水泵機(jī)組組成 ，形成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，包括一臺變頻泵和兩臺工頻泵，變頻泵通過變頻器發(fā)出控制信號對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使水量穩(wěn)定在可控范圍內(nèi)；工頻泵只有啟停功能，當(dāng)用戶用水量很大時（變頻泵已經(jīng)達(dá)到額定功率，但仍無法滿足用戶需求），工頻泵開始投入工作。 (2) 信號檢測機(jī)構(gòu) ：在系統(tǒng)運(yùn)行時，需要檢測相關(guān)信號來及時調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，此時就需要檢測管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號檢測的是用戶管網(wǎng)的水壓值，他是整個系統(tǒng)的主要反饋信號。由于終端檢測得到的是模擬信號，需要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換。為了提高系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上下限壓力進(jìn)行檢測，電接點壓力表就能很好的完成這一任務(wù)，檢測結(jié)果通過數(shù)字量傳給 PLC 進(jìn)行檢測；水池水位信號是檢測水源的充足性。當(dāng)信號有效時，控制系統(tǒng)會自動檢測并對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。液位傳感器通常安裝于水池中；報警信號 是當(dāng)工作組機(jī)構(gòu)運(yùn)行有錯誤時輸出信號， 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計 4 系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制以此保護(hù)整個系統(tǒng)。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：控制系統(tǒng)包括 PLC、變頻器和電控設(shè)備，一般整體安裝于控制柜中。 PLC 是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的最核心部件。 PLC 直接處理系統(tǒng)中傳來的各方數(shù)據(jù)，如壓力信號、液位信號、報警信號等，對收集的數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再做出相應(yīng)的控制操作；變頻器是 PLC 的執(zhí)行單元， PLC 送來的控制信號作用于變頻器，變頻器通過改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 根據(jù)實時用水情況的不同，變頻器可以有兩種工作方式：變頻固定式和變頻循環(huán) 式。變頻固定式是指變頻器始終拖動某一臺水泵機(jī)組作為調(diào)速泵，當(dāng)供水量無法滿足要求時，并且此組水泵機(jī)組已經(jīng)是工作在 50HZ 的頻率下，這是就需要增加另一臺水泵機(jī)組來增大管網(wǎng)水壓，系統(tǒng)會直接啟動一臺處于工頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵機(jī)組，原來的調(diào)速泵依然運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)；變頻循環(huán)式也是當(dāng)供水要求無法滿足時，需要增加額外的水泵機(jī)組，但新增加的水泵機(jī)組做變頻運(yùn)行，原來的變頻調(diào)速泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行狀態(tài)。在工作之前須確定好恒速泵，本設(shè)計中采用后者。 任何控制系統(tǒng)，報警器絕對是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)適用范圍廣泛，所以為了保證系統(tǒng)能 夠安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，系統(tǒng)必須具有對各種警報量的檢測功能，檢測量會直接送至 PLC，并由 PLC 判斷報警類別，進(jìn)行相應(yīng)的動作控制，以免造成不必要的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)是以控制供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，使實際供水量始終處于設(shè)定的供水壓力范圍。設(shè)定值的表現(xiàn)方式可以是常數(shù)，也可以是時間分段函數(shù)。所以，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的允許波動供水壓力內(nèi)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 制系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)的壓力變送器安裝于用戶供水管道上，并實時檢測監(jiān)測點的水壓，以 4— 20mA 的電信號傳送至 PLC，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，還需通過 PLC 內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計 5 通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定在允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)變頻恒壓供水功能。 變頻恒壓供 水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先變頻器會啟動變頻泵 M1，根據(jù)比較壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉(zhuǎn)速。當(dāng)輸出水壓達(dá)到設(shè)定值，用水量與供水量達(dá)到相對平衡時，轉(zhuǎn)速會穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速值，這期間 Ml 將處于調(diào)速運(yùn)行的穩(wěn)定工作狀態(tài)。 (2) 當(dāng)用水量增加導(dǎo)致管網(wǎng)水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號會減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的將增大輸出頻率，從而使水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水 泵的轉(zhuǎn)速將相對穩(wěn)定在一個轉(zhuǎn)速值。反之，當(dāng)用水量減少使管網(wǎng)水壓增大時，通過與前面相反的壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，減小水泵的轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定在另一個新的穩(wěn)定值。 (3) 當(dāng)用水量持續(xù)增加，水泵機(jī)組的工作頻率已達(dá)到 50Hz，實際水壓仍未達(dá)到實際設(shè)定壓力值，并且增加水泵的條件也已經(jīng)滿足 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時，在處于變頻循環(huán)式的工作模式下，系統(tǒng)的 PLC 自動控制水泵，使 M2 進(jìn)行變速運(yùn)行，同時變頻泵 M1 轉(zhuǎn)換為工頻泵運(yùn)行，系統(tǒng)仍然處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，直至管網(wǎng)水壓與供給水壓趨于平衡。當(dāng)用水量持續(xù)增加，同時增加水泵的條件也已經(jīng)滿足，將會重復(fù)上面 的轉(zhuǎn)換行為，并將指定工頻泵 M3 進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。如果供水量持續(xù)增加，變頻器的輸出頻率也已經(jīng)達(dá)到頻率的最高上限 50Hz，但壓力卻仍沒有達(dá)到初始設(shè)定值時，控制系統(tǒng)的終端就會傳送警報信號，主機(jī)發(fā)出水壓超限報警，此時供水系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計的最大負(fù)荷。 (4) 當(dāng)用水量開始下降，管網(wǎng)水壓開始升高，變頻器輸出的頻率也已降至下限，管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并滿足減少水泵機(jī)組的條件時，系統(tǒng)將會關(guān)掉工頻泵 M2，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另 一臺工頻泵 M3關(guān)掉。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時管網(wǎng) 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計 6 的實際水壓仍低于設(shè)定壓力，仍需要增加水泵來滿足供水要求，來達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力，此時仍需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么怎么才能使系統(tǒng)既能有效的工作在額定供水壓力范圍內(nèi)，又能避免上訴情況的出現(xiàn)，同時又使機(jī)組不過于頻繁的切換呢 ? 由于我國電網(wǎng)的固定傳輸頻率是 50HZ，因而變頻器和電機(jī)工作頻率受到限制，因 此 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，由于變頻器不可能輸出負(fù)值，最多只能是 0HZ，就是變頻器停止工作。在實際生產(chǎn)生活應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ 的。因為當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行時，水泵開始向上抽水，已經(jīng)送入管網(wǎng)的水會對水泵有反作用力，阻止水泵的抽水運(yùn)行，所以一旦電機(jī)的運(yùn)行頻率降到一定程度時，就已經(jīng)不能向管網(wǎng)送水，實際的管網(wǎng)中的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。在實際應(yīng)用中這個頻率就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。毫無疑問，這個頻率是遠(yuǎn)大于 0HZ 的。具體的頻率與系統(tǒng)的使用場合和水泵的基本特性等因素有關(guān)，一般 使用情況下是在 20HZ 左右。因此水泵機(jī)組工作室的切換頻率上下限分別為 50HZ 和 20HZ。 當(dāng)水泵機(jī)組的輸出頻率達(dá)到上限頻率時，管網(wǎng)的實際供水壓力會趨于穩(wěn)定在某一壓力值。如果 sfPP? ， PLC 會進(jìn)行機(jī)組切換，由于突然增加了一臺水泵機(jī)組，供水壓力很可能在短時間內(nèi)超出了壓力設(shè)定值，系統(tǒng)很有可能做出停掉一組水泵機(jī)組的指令，長此以往對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性損傷非常大。假定在極端情況下，系統(tǒng)剛增加了一組水泵機(jī)組，而實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，新增加的水泵機(jī)處于頻率下限運(yùn)行，并且完全 滿足了系統(tǒng)關(guān)停機(jī)組的條件，這時系統(tǒng)會做出關(guān)停一組水泵機(jī)組的指令。如果在實際用水量不變的情況下，供水泵站中的所有水泵機(jī)組就會存在一種循環(huán)，即投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地一直循環(huán)下去，機(jī)組切換的次數(shù)在一定時間內(nèi)會增加，系統(tǒng)也會處于一種長期不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣也會導(dǎo)致實際供水壓力處于不斷波動之中。所以在系統(tǒng)構(gòu)建之初就要考慮相關(guān)的解決方案，一旦出現(xiàn)此情況系統(tǒng)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，水泵機(jī)組的使用壽命也會大大縮短，頻繁使用的閥門和水泵等相關(guān)器件也會很快磨損，造成設(shè)備維護(hù)成本的上升。另外，供水壓力超調(diào)量的影響以及現(xiàn)場 的干擾使實際壓力的測量值有尖峰值出現(xiàn)的情況，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。 實際的機(jī)組切換判別條件如下：