【正文】 ....22 水泵工頻/變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 .....................................................22 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 ........................................................................................22 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系 ...............................................................................................22 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 ...............................................................................................24 PLC 程序設(shè)計(jì) .................................................................................................25 PLC 編程語言 .............................................................................................25 梯形圖語言編程的一般規(guī)則 .....................................................................25 供水系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì) ..............................................................................26 系統(tǒng)初始化模塊 ............................................................................................26 水泵運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊 ............................................................................265 恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) .................................................................................28 PID 控制及其控制算法 ....................................................................................28 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 ..........................................................................29結(jié) 論 .......................................................................................................................31附 錄 .......................................................................................................................32致謝 .........................................................................................................................34參考文獻(xiàn) .................................................................................................................3511 緒 論 課題背景及意義隨著社會(huì)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)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力和能源的消耗。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 70 年代起，國內(nèi)外的很多專家，學(xué)者就開始嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)及供水系統(tǒng)控制等方面。目前，國內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動(dòng)控制技術(shù)不少，其特點(diǎn)是變頻技術(shù)與其他自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用繼電接觸器控制電路，是與開關(guān)量邏輯控制技術(shù)結(jié)合，通過人工啟動(dòng)或停止水泵和調(diào)節(jié)泵出口閥來實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)線路復(fù)雜，操作麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，維護(hù)困難，自動(dòng)化程度低，應(yīng)用前景不好。后來增加了微機(jī)和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化程度。但由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，水流量靠調(diào)節(jié)泵出口閥開度來控制，浪費(fèi)大量的能源，也沒有很好的發(fā)展前景。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，通過變頻技術(shù)調(diào)速。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到了廣2泛的應(yīng)用。變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是且前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。如希望集團(tuán)推出的恒壓供水專用變頻器。(2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠．這類變頻器電機(jī)功率在 135kW320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 200V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于 320kW)、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器。變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡單化方向發(fā)展在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高。很多專用供水變頻器集成了 PLC或 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡單，部分新品的變頻供水只需簡單設(shè)定壓力值就可以正常運(yùn)行，控制軟件和其它參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定或利用傳感器自動(dòng)獲取完畢。 (2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過去變頻供水涉及較少的商壓變頻系統(tǒng)，也是發(fā)展的重要方向，高一低—高型的高壓變頻系統(tǒng)、串聯(lián)多電平高壓變頻供水系統(tǒng)目前己在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善高壓高頻中的諧波等問題也逐步得到解決。(3)變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)3面對日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。目前，在美國、日本、法國等地的有些城市已基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，把變頻供水與計(jì)算機(jī)直接調(diào)度管理結(jié)合起來，我國也正在進(jìn)行著這方面的研究與小范圍應(yīng)用。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)現(xiàn)有變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):滯后性供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。非線性用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。多變性變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。時(shí)變性在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時(shí)變的。容錯(cuò)性 完善的保護(hù)功能當(dāng)出現(xiàn)意外的情況時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。節(jié)能性系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，節(jié)能效果顯著，對每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零4到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大慣量轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 f(Q)，如圖 21 所示。由圖 21可以看出，流量 Q 越大，揚(yáng)程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況。因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Q（）間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程U與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f（ ） 。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓U力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程 H 越大，流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Q 之間的關(guān)系 H=f（ ） 。揚(yáng)程cQ特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 21 中 A 點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 和供水系統(tǒng)的供水流量 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，Uc也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。HAA揚(yáng)程特性管阻特性A圖 21 供水系統(tǒng)的基本特性5 不同控制方式下的能耗分析與比較當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Ql，揚(yáng)程為 ，當(dāng)供水0H量從 減小到 時(shí)必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 移到 ，揚(yáng)1Q2 3?1程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從 上升到 ，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 F 點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出0H1功率用圖形表示為(0, ,F, )圍成矩形部分，其值為 [1]：21 （21）02=DQPgh當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓( )，變速泵( )供水，管阻特性曲線為 ，揚(yáng)程特性0H2n2?變?yōu)榍€ ，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率用圖 22 表示為(0，Q 2,D, )圍2n 0H成的矩形面積，可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（ ,D,F, ）圍成的矩形面積，其值為：01H