【正文】 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 恒壓供水系統(tǒng)電控系統(tǒng)組成恒壓供水電氣控制系統(tǒng)可由以下幾部分組成：（1）主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機提供工頻及變頻電源。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 51 所示。變頻器和電動機之間的配線長度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小，設(shè)計三相電源信號指示?？刂齐娐分羞€要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對于變頻器安全運行十分重要?？刂齐娐分羞€考慮了電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示的設(shè)計，為了節(jié)省PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn) [23]。中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。HL0 為自動運行指示燈。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)設(shè)備相對較少，PLC 采用德國 SIEMENS 公司S7－ 200 型。同時，SIEMENS 公司的 PLC 不僅具有可靠性高，可擴展性好，而且又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應(yīng)用選擇合適的模塊。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件 PLC 及其擴展模塊的選型PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。在自動狀態(tài)時，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。在手動狀態(tài)，通過P L CK A 1 K A 2K A 5 K A 6K A 3 K A 4K A 7K ANL 1自動手動K AK AH L 0F R 1F R 2F R 3F R 4K A 2K A 3K A 5S B 2S B 1K A 1K A 1S B 4S b 3K A 2K A 1K A 4K A 5S B 6S B 5K A 3S B 8K A 4S B 7K A 3K A 1K A 3K A 6S B 9K A 5S B 1 0K A 6S B 1 1S B 1 2K A 5K A 7S B 1 3S B 1 4Q 0 . 0Q 0 . 3 Q 0 . 1 Q 0 . 4Q 0 . 2Q 0 . 5Q 0 . 6 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 33按鈕 SB1SB14 控制各臺泵的起停。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。因此，在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。為了保護 PLC 設(shè)備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出端RST變 頻 器UVW一 號 二 號 泵 三 號 泵 輔 助 泵FR1FR2FR3FR4廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計32口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。（3）變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測信號，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動頻率等信號；并能實現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)。水 壓 P0 d調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t調(diào) 整 后 調(diào) 整 前水 壓 P t水 壓 P tac b水 壓 P調(diào) 整 前調(diào) 整 后調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t000 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 29 本章小結(jié)PID調(diào)節(jié)可以使供水系統(tǒng)快速，平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。設(shè)定 0 時，若仍有振蕩時，減小 H22（增益） ，如圖 d。圖 44 PID 參數(shù)調(diào)整（1）抑制超調(diào)增大 H23（積分時間） ，減小 H24（微分時間） ，如圖 44 a。其中 H22 用以設(shè)定 P 增益，設(shè)定范圍：～10 倍；H23 用以設(shè)定積分時間，設(shè)定范圍 ～3600s；H24 用以設(shè)定微分時間，設(shè)定范圍 ～ 。其關(guān)系為: 壓力目標值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。其關(guān)系如圖 43。這一動態(tài)變化過程，如圖 42 中的 t3～t4 段，其中 t4 段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [22]：(1) 穩(wěn)態(tài)運行當供水能力 QG=用水需求 QU，目標壓力信號和壓力反饋信號相等，偏差e=yr，PID 輸出的控制增量 ΔU=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運行。當供水能力 QG 和用水需求 QU 之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(k)，e(k1)，而且還要把歷次的偏差信號 e(j)相加，計算繁鎖，占用內(nèi)存大；另一方面計算機輸出的控制量 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(k)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。如果能將它們的作用作適當?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。但過大的 TD 對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式： （43 ）1())pUsGKTSE??比 例 P微 分 D積 分 I 驅(qū) 動 被 控 對 象 r(t)e(t) u(t) d(t) y(t) 廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計24PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下。 模擬 PID 控制及算法PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[18][19]： （41）????etryt??經(jīng)比例（P） 、積分（ I）和微分（D）運算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 23第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題:實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作?？紤]到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖 35 表示。對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。假設(shè)這一段時間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實在一個穩(wěn)定的供水時段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個工頻狀態(tài)下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同。首先把上面的判別條件簡寫如下 [15]：f= （31 ）UPffS?f= （32 ）LOW?式中： ：上限頻率 ：下限頻率UPf f：設(shè)定壓力 ：反饋壓力S f對于第一個判別條件，可能出現(xiàn)這種情況:輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率 [14]。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到 0HZ。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當一臺調(diào)速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運行。開始啟動運行滿足小水泵運行條件實際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報警輸出執(zhí)行輔助控制執(zhí)行升壓控制N oY e sY e sN oY e s N oN o Y e s壓力設(shè)定報警信號有效Y e sN o圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說明如下:系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵一號泵(可以是二號泵，也可以是三號泵 ，這里以一號泵為例) ，通過恒 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號泵的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號泵工作在調(diào)速運行狀態(tài)。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，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)。變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。(1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行戶以 D 轉(zhuǎn)換。(3)以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運行可靠性。當水泵采用循環(huán)的控制方式時，一、二、三號泵既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時，一、二、三號泵中有且只有一臺可以調(diào)速泵，其余兩臺為恒速泵或停止狀態(tài)。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計算機”的模式 [13]。采用 PLC，由于其本身抗干擾能力強，系統(tǒng)可靠性高，且由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。在運行中，當用水量增大的時候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進行調(diào)速，使電機的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設(shè)定壓力 U*對應(yīng)的期望壓力值相等。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。通過對電機的幾種調(diào)速方式的分析比較，采用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的。實現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。這些方法的共同特點是:在調(diào)速過程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計12根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機的轉(zhuǎn)速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調(diào)速方法由公式 ()可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)調(diào)速。這種調(diào)速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價格比。