【正文】 方面的現(xiàn)代化技術(shù)，所以有較好的性能特點(diǎn)：（1）節(jié)能性恒壓供水技術(shù)通過變頻調(diào)速閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對(duì)于閥門調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式來說，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應(yīng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約一定的電能，并能長(zhǎng)期受益，并且由于電動(dòng)機(jī)故障率的減少，設(shè)備壽命的延長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量的提高等等，都必將產(chǎn)生難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，以 PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展?，F(xiàn)代化水廠除了中心調(diào)度室和化驗(yàn)室以外都可以做到無人值班。PLC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。(4)調(diào)速供水液力禍合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修。在恒壓供水技術(shù)之前出現(xiàn)了很多種供水方式，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各種傳統(tǒng)的供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下 [2]:(l)重力供水水塔高位水箱供水方式屬于重力供水方式，缺點(diǎn)是基建投資大，占地面積廣，維修清洗不方便，需要定期清理，消毒，容易造成水源的二次污染，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，控制柜內(nèi)觸點(diǎn)多，易燒壞，優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，短時(shí)維修或斷電可不停水。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)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(duì)供水系統(tǒng)的新要求。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動(dòng)地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。當(dāng)用水量很小時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間不再開泵。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。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，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)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。國(guó)內(nèi)的小城鎮(zhèn)的供水狀況比較落后，基本上還停留在氣壓罐、水塔供水方式。企業(yè)內(nèi)部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來，通過對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故 第一章 緒論 3障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)，亦稱為“管控一體化” 。（2）可延長(zhǎng)電機(jī)和水泵壽命由于水泵在變頻下工作，其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。 （5） 控制靈活分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式。(2) 特殊種類工業(yè)需要恒壓控制的用水如冷卻水循環(huán)、熱力網(wǎng)水循環(huán)、鍋廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4爐補(bǔ)水等。 變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢(shì)(1)變頻恒壓供水目前正向集成化，維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展在國(guó)外專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，很多專用變頻器集成了 PLC和 PID，甚至將壓力變送器也融入變頻組件，同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡(jiǎn)單，部分新品的變頻供水只需簡(jiǎn)單設(shè)定壓力值就可正常運(yùn)行，控制軟件和其他參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定，或利用傳感器自動(dòng)獲取完畢。由于具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供液供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的控制效果和社會(huì)效 [5]。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。4）設(shè)計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。(1) 流量 Q水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面:提高水位所需的能量。因此把水從一個(gè)位置“上揚(yáng)”到另一位置時(shí)，用水位的變化量(即水位差) 代表?yè)P(yáng)程。損失揚(yáng)程是全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差,即 :總揚(yáng)程= 實(shí)際揚(yáng)程+損失揚(yáng)程(3) 功率水泵功率有兩種:有效功率 PM 和軸功率 PN。(5) 轉(zhuǎn)速 n 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 7轉(zhuǎn)速 n 是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。(1) 揚(yáng)程特性在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚(yáng)程 H 隨用水量 Q 變化曲線H=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖 21 所示。因此，揚(yáng)程特性反映了用戶的用水需求對(duì)全揚(yáng)程的影響。實(shí)際上是表明當(dāng)閥門開度一定時(shí)，為了提供一定流量的水所需要的揚(yáng)程，因此這里的流量可以理解為“供水流量” ，用 Q 表示.所以管阻特性的函數(shù)關(guān)系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小(Q=Q 1)時(shí)，所H12 A1 A2Q1Q2Q廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8需揚(yáng)程也較小(H=H 1)，如點(diǎn) B1。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)取決于水泵性能管路性能以及所需實(shí)際揚(yáng)程。從圖中可以看出，水泵在工作點(diǎn) A 點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的揚(yáng)程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到流量和能量的平衡，這個(gè)平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對(duì)的。工作點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中的一個(gè)重要問題 [9]。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，實(shí)際運(yùn)行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚(yáng)程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，因此要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手，即工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [9][10]：(1) 閥門控制法圖 24 管網(wǎng)和泵運(yùn)行曲線閥門控制法屬于節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而泵的轉(zhuǎn)速保持不變。泵的初始工作點(diǎn)在 A 點(diǎn)，水泵提供的揚(yáng)程、流量恰好與管路所需得揚(yáng)程、流量相等。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門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 H 增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。 而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，從而達(dá)到節(jié)能的效果。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為: （22）106fn=p其中 n0是異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f 1是異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率，p 為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)調(diào)速相當(dāng)困難，這會(huì)使電機(jī)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而且不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。因此，通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)供電頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時(shí)中間電路可以降低逆 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 13變電路反饋到工頻電源的諧波電流。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID 調(diào)節(jié)器等。根據(jù)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低。測(cè)量元件用壓力變送器，U *為恒定壓力供水設(shè)定值。總之，根據(jù)反饋控制原理，最終達(dá)到的平衡狀態(tài)使實(shí)際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。同時(shí)由于 PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，本文采用 PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，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，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)控制要求改變時(shí)，利用編程軟件很容易進(jìn)行程序的修改和下載。水泵組水泵組用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 4 個(gè)水泵分為三種類型。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因 :]19[(1)用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。(5)在用水量不太大時(shí)，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運(yùn)行，這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入。(3)報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。(2)變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。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)切換及就地/ 集中等工作。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測(cè)到的輸入信號(hào)的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過孿頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對(duì)水泵組進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時(shí)，在變頻固定式的控制方式下，系統(tǒng)將變頻器的輸出的頻率降為下限頻率的同時(shí)開啟一臺(tái)恒速水泵。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)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺(tái)恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?盡管通用變頻器的頻率都可以在 0400HZ 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會(huì)使輸出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)降低。并且使新投入運(yùn)行的機(jī)組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運(yùn)行，對(duì)供水作用很小。同時(shí)，在切換過程和變頻器從啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。相應(yīng)的判別條件是通過對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力大△P d /2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在判別條件中加入延時(shí)的判斷就顯得尤為必要了。確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理。PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理框圖圖中 u(t)PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)。（3）微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率）做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。數(shù)字 PID 控制算法是通過對(duì)式（ 42）離散化來實(shí)現(xiàn)的。u?IDIT=KpP，增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 Δu (k)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對(duì)供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號(hào) y、偏差 e，控制增量 Δu 均處于變化之中，其變化過程如圖 42 中的 tl～t3 段，其中 t2～ t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。圖 43 PID 模式PID 模式預(yù)置H20 用以設(shè)置 PID 模式。反饋方式預(yù)置系統(tǒng)采取的是電流輸入反動(dòng)作，設(shè)定 H21 為 2。選擇 X1 端子功能，設(shè)定“E01 ”為 II，通過變頻器鍵盤面板操作直接輸入確定的壓力目標(biāo)值。H22（增益 P） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；H23（積分時(shí)間 I） ，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；H24（微分時(shí)間 D） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；10%0%PID輸 出最 高頻 率 正 動(dòng) 作 反 動(dòng) 作變 頻 器 輸 出 頻 率廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)28用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況做參數(shù)調(diào)整。（3）抑制比 H23（積分時(shí)間）長(zhǎng)的周期性振蕩增大 H23（積分時(shí)間） ，如圖 44 c。（2）變頻器的升、降速時(shí)間完全取決于由 P、I、 D 值所決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)30