【正文】 后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制 動(dòng)控制、變壓變頻比控 制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即 1968 年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器 (丹佛斯是傳動(dòng)產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一 )后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯 著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的 ABB 集團(tuán)推出了 HVAC 變頻技術(shù)，法國(guó)的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。這類(lèi)設(shè)備雖然說(shuō)是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接 口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) 。有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。原深圳華為 (現(xiàn)己更 名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團(tuán)〔森蘭牌變頻器 )也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器()，無(wú)需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán) (月麥丹佛斯公司的 VLT 系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換 )。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。 可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合 現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有 待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。 采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有較大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種 調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài) . 變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式 (如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等 )，是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù) .它采用微機(jī)控制技術(shù) 。電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。以變頻器為核心結(jié)合PLC 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。 本文的主要工作 本文采用電動(dòng)機(jī)、變 頻器與可編程控制器 (PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)， 用觸摸屏界面 進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入 CPU 運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用 PLC 的 PID 指令 或 PI功能實(shí)現(xiàn)的工業(yè)過(guò)程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點(diǎn)測(cè)的壓力信號(hào) (4－ 20ｍＡ )直接輸入到 PLC 的 3A模塊 中， 再由 3A 模塊中輸出 0250 的數(shù)字量在 PLC 的 PID 程序中運(yùn)用起來(lái)，由 PLC 將其與用戶(hù)設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過(guò) PLC 程序中 PID 指令 運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 第 2 章 系統(tǒng)總體分析與設(shè)計(jì) 本章從系統(tǒng)概述、變頻恒壓供水的節(jié)能原理和系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了總體分析說(shuō)明。 系統(tǒng)概述 如圖 所示，為該系統(tǒng)的供水流程。 圖 供水流程簡(jiǎn)圖 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì) 生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專(zhuān)用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì) 性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開(kāi)發(fā)、智能樓宇、 網(wǎng)絡(luò) 供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中 , 關(guān)鍵是對(duì)水泵的控制 .泵的轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q、 揚(yáng)程 H 及泵的 軸功率 N 的關(guān)系如下式所示： （ 1） 泵用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí) ,電動(dòng)機(jī)功率 P 可用下式表示 : （ 2） 式中： 泵的流量 Q 和揚(yáng)程 H 的關(guān)系曲線見(jiàn)圖 . 曲線①、② 分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 n1 、 n2( n1 n2) 時(shí)的 H Q 特性曲線 , 曲線③、 ④為管阻特性曲線 . 當(dāng)調(diào)節(jié)流量時(shí) , 通常采用調(diào)節(jié)閥門(mén)和變頻調(diào)速兩種方式 . 圖 泵的流量 Q 和揚(yáng)程 H 的關(guān)系曲線 假設(shè)泵的額定工作點(diǎn)為 N 點(diǎn) , 額定流量 QN 為 100 % ,此時(shí)軸功率 P1 與圖中 QNNHN0 區(qū)域面積成正比 . (1) 調(diào)節(jié)閥門(mén)法 當(dāng)流量從 QN 減小到 QA 時(shí) ,采用調(diào)節(jié)閥門(mén)法 , 管阻特性曲線從 ④切換至 ③ , 揚(yáng)程 H 增大 , 工作點(diǎn)由 N 切換至 A. 此時(shí)軸功率 P2 與圖中 QAHAA 0 區(qū)域面積成正比 。 (2) 變頻調(diào)速法 由式 ( 1) 可知 ,泵的流量 Q 與轉(zhuǎn)速 n 成正比 , 要將流量從 QN 減小到 QA 時(shí) ,可將泵轉(zhuǎn)速?gòu)? n1 降至 n2 , 工作點(diǎn)從 N 切換至 B, 揚(yáng)程 H 減小 . 在同樣流量 QA 下 , 軸功率 P3 與圖中 QAHBB 0 區(qū)域面積成正 比 . 由圖可知 ,P3 P2 ,在同樣流量 QA 下 , 采用調(diào)速法節(jié)省的軸功率與圖中陰影部分 ( BAHAHB) 區(qū)域面積成正比 , 節(jié)能效果非常明顯 .對(duì)于電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,可用下式表示 : （ 3） 式中 : n— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,r/ m in 。 f — 電源頻率 ,H z 。 p — 電機(jī)極對(duì)數(shù) 。 s — 轉(zhuǎn)差率 . 因此 ,當(dāng)調(diào)節(jié)泵的流量時(shí) , 通過(guò)改變頻率調(diào)節(jié)電機(jī)速度 ,即采用變頻調(diào)速法 , 比采用調(diào)節(jié)閥門(mén)法節(jié)能 . 恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 供水系統(tǒng)方 案圖 如下圖 所示，整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái) PLC 和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)水泵協(xié)調(diào)工作以滿(mǎn)足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋 0——5V 電壓信號(hào)）或壓力變送器（反饋4——20mA 電流）；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過(guò)改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。 從原理框圖，可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。 圖 系統(tǒng)原理圖 （ 1） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)，圖中的 3 個(gè)水泵分為 2 種類(lèi)型： 調(diào)速泵：是由變頻調(diào)速控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 恒速泵：水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。 （ 2） 信號(hào)檢測(cè) 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來(lái)水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào)： ①水壓信號(hào)： 它 反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。 ②報(bào)警 信號(hào)：它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 （ 3） 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器（ PLC 系統(tǒng)）、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 ①供水控制器：它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）進(jìn)行控制。 ②變頻器：它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信 號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 ③電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電器元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手 /自動(dòng)切換。 （ 4） 人機(jī)界面 （ GT） 人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定值，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿(mǎn)足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。 （ 5） 通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以和組 態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通信接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用到本系統(tǒng)中來(lái)，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等 （ 6） 報(bào)警裝置 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安