【正文】 后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(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 動控制、變壓變頻比控 制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，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，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，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 (丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應商之一 )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、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯 著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開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 集團推出了 HVAC 變頻技術(shù)，法國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，通過設(shè)置指令代碼實現(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，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接 口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(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)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國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)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn) 。有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。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〔森蘭牌變頻器 )也推出了恒壓供水專用變頻器()，無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán) (月麥丹佛斯公司的 VLT 系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機組的切換 )。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)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時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所。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應不同的用水場合，結(jié)合 現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(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，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。 采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。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口壓力保持恒定為條件。實際上，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、串級調(diào)速等 )，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調(diào)速技術(shù) .它采用微機控制技術(shù) 。電力電子技術(shù)和電機傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。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諸多特點。 本文的主要工作 本文采用電動機、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 進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(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際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(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功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號 (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 程序中運用起來，由 PLC 將其與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，并通過 PLC 程序中 PID 指令 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 第 2 章 系統(tǒng)總體分析與設(shè)計 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)計三個方面對該系統(tǒng)進行了總體分析說明。 系統(tǒng)概述 如圖 所示，為該系統(tǒng)的供水流程。 圖 供水流程簡圖 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對 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，廣泛應用于多層住宅小區(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)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻恒壓供水設(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，運行的經(jīng)濟 性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，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、標準化，是未來供水設(shè)備適應城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(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。 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)鍵是對水泵的控制 .泵的轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q、 揚程 H 及泵的 軸功率 N 的關(guān)系如下式所示： （ 1） 泵用電動機驅(qū)動時 ,電動機功率 P 可用下式表示 : （ 2） 式中： 泵的流量 Q 和揚程 H 的關(guān)系曲線見圖 . 曲線①、② 分別對應轉(zhuǎn)速 n1 、 n2( n1 n2) 時的 H Q 特性曲線 , 曲線③、 ④為管阻特性曲線 . 當調(diào)節(jié)流量時 , 通常采用調(diào)節(jié)閥門和變頻調(diào)速兩種方式 . 圖 泵的流量 Q 和揚程 H 的關(guān)系曲線 假設(shè)泵的額定工作點為 N 點 , 額定流量 QN 為 100 % ,此時軸功率 P1 與圖中 QNNHN0 區(qū)域面積成正比 . (1) 調(diào)節(jié)閥門法 當流量從 QN 減小到 QA 時 ,采用調(diào)節(jié)閥門法 , 管阻特性曲線從 ④切換至 ③ , 揚程 H 增大 , 工作點由 N 切換至 A. 此時軸功率 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 ,可將泵轉(zhuǎn)速從 n1 降至 n2 , 工作點從 N 切換至 B, 揚程 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 .對于電機的轉(zhuǎn)速 ,可用下式表示 : （ 3） 式中 : n— 電機轉(zhuǎn)速 ,r/ m in 。 f — 電源頻率 ,H z 。 p — 電機極對數(shù) 。 s — 轉(zhuǎn)差率 . 因此 ,當調(diào)節(jié)泵的流量時 , 通過改變頻率調(diào)節(jié)電機速度 ,即采用變頻調(diào)速法 , 比采用調(diào)節(jié)閥門法節(jié)能 . 恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計 供水系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 供水系統(tǒng)方 案圖 如下圖 所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺 PLC 和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺水泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測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）或壓力變送器（反饋4——20mA 電流）；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 從原理框圖，可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 圖 系統(tǒng)原理圖 （ 1） 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 3 個水泵分為 2 種類型： 調(diào)速泵：是由變頻調(diào)速控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 恒速泵：水泵運行只在工頻狀態(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，對供水量進行定量的補充。 （ 2） 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號： ①水壓信號： 它 反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 ②報警 信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關(guān)量信號。 （ 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)備三個部分。 ①供水控制器：它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)（即水泵）進行控制。 ②變頻器：它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信 號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 ③電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電器元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換。 （ 4） 人機界面 （ GT） 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定值，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)視，對報警進行顯示。 （ 5） 通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，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)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通信接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等 （ 6） 報警裝置 作為一個控制系統(tǒng)，報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