【正文】 點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。從20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。1985年，德國(guó)人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DSC)。國(guó)外在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方面特點(diǎn)為：市場(chǎng)需求量大；功率器件發(fā)展迅速；控制理論和微電子技術(shù)的支持。我國(guó)電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始于1954年。總之，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績(jī)，但是總體上來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴還很嚴(yán)重。 4)產(chǎn)品可靠性及工藝水平低。早期的可編程序控制器(Pfogrammable Logic Controller，PLC)，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。在硬件方面，除了保持其原有的開(kāi)關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I／O模塊和各種特殊功能模塊。在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，PLC己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門(mén)。PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，有相應(yīng)的I／O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接連接。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I／O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。PLC不需要專門(mén)的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。PLC在水工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)加氯、自動(dòng)加礬、水泵變頻調(diào)速、SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。PLC可分為以下幾個(gè)部分： 1）中央處理單元(CPU)：同一般微處理機(jī)一樣，中央處理單元是可編程控制的核心部件，它通過(guò)輸入裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過(guò)輸出裝置去控制外設(shè)。字處理器是CPU這個(gè)核心的核心，常由通用的8位、16位或32位微處理器擔(dān)任，位處理器也稱布爾處理機(jī)，如美國(guó)TI公司的TI一530等，它不僅使PLC增加了功能，提高了速度，也加強(qiáng)了PLC的保密性能。系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫(xiě)的系統(tǒng)程序。用戶存貯器主要用來(lái)存放用戶的應(yīng)用程序。為確保PLC機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，CMOS RAM存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護(hù)措施，以防電源掉電后破壞它的存貯內(nèi)容。 3)輸入／輸出模塊：輸入／輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程連接的接口?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入／輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入／輸出模塊和模擬量輸入／輸出模塊。模擬量輸入／輸出模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即A／D或D／A轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是o．5伏和o．10伏兩種，．20mA兩種。4)擴(kuò)展模塊：當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I／O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來(lái)或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。使用圖形編程器可以月多種編程語(yǔ)言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在PLC機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，就需對(duì)系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展，各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。當(dāng)己運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí)，PLC可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。另外，一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件?？紤]到PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，系統(tǒng)軟件應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般用戶不允許直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部操作。與硬接線的梯形圖不同，PLC梯形圖邏輯是由軟件實(shí)現(xiàn)的，因此既形象直觀便于編寫(xiě)，又易于擴(kuò)展和修改功能。 4)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(包括定量泵的停止和運(yùn)行)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，因此可以認(rèn)為：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。 7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從0到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門(mén)和固定件。 3)變頻調(diào)速的軟啟動(dòng)器避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。第2章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(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(mén)開(kāi)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2．1所示。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。揚(yáng)程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2．1中A點(diǎn)。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為（0， Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為： Pd=γH0Q2102η （25） 可見(jiàn)，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（H0,D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為： △P=PfPd=γH1H0Q2102η （26） 所以，當(dāng)用閥門(mén)控制流量時(shí)，有γH1H0Q2102η功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門(mén)的不斷關(guān)小，閥門(mén)的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。 （27） 式中Ql、HP1為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，QH2,P2為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖2．3中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。 變頻恒壓控制原理圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 如前文所述，由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求j結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下幾種方案可供選擇: 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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供水基板上，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。但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I／O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)Pc機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。流量Q100%50%t（時(shí)） 2 3 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 a）連續(xù)型（全流量變化型）流量Q100%50%t（時(shí)） 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 b)連續(xù)型（高流量變化型）流量Q100%50%t（時(shí)）2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c）連續(xù)型(低流量變化型)t（時(shí)）流量Q100%50%2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 d）間歇型 本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的PLC通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。水壓信號(hào)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(hào)。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)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)。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用交頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇心們；本文采用前者。 2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 4)當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件(在下文有詳細(xì)的闡述)時(shí)，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行的水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重1新達(dá)到設(shè)定值。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開(kāi)啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開(kāi)啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到50Hz或52Hz時(shí)，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52Hz時(shí)是否超載。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，到600ms時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。這些操作都是由PLC自動(dòng)控制完成的。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到OHZ。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。 判別條件可簡(jiǎn)寫(xiě)如下： f=fup pspf (29) f=flow pspf (210) 式中：fup：上限頻率 flow：下限頻率 Ps： 設(shè)定壓力 pf：反饋壓力對(duì)于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況：輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過(guò)相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論?？紤]到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時(shí)才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時(shí)不可能減泵，下限頻率時(shí)不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進(jìn)行判別如圖2．5表示。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要配置的選型 水泵機(jī)組的選型 根據(jù)第2章中所闡述的基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3．1所示：故障、狀態(tài)等量輸入報(bào)警、控制等量輸出上位機(jī)、組態(tài)等變頻器壓力、流量等傳感器人機(jī)界面軟啟動(dòng)、自耦變壓器水泵機(jī)組A/D模塊可編程控制器PLC通訊模塊 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括： 1)水泵機(jī)組、變頻器 2)PLC及擴(kuò)張模塊 3)壓力變送器及數(shù)顯儀 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表3．1所示： Y系列臥式電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù)同步轉(zhuǎn)速1500r/min （4極） 50HZ型號(hào)功率（KW）電流（380V）A轉(zhuǎn)速（r/min）效率%（η）功率因素（cosφ）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 Tst/Tn