【正文】 作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)而執(zhí)行專門的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。(4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。(3)變頻供水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)面對日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度的提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題，目前，在美國，日本，法國等地的有些城市己基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化。通過前面對傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。7）以組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計(jì)工控機(jī)監(jiān)控程序。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量要求。 使水流具有一定流速所需的能量。水泵總揚(yáng)程包括把水上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。(6) 壓力 pP 表示供水系統(tǒng)中某個(gè)位置或某個(gè)點(diǎn)水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時(shí)取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關(guān)。當(dāng)流量越大時(shí)，管道中的摩擦損失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。管阻特性的起始揚(yáng)程等于靜揚(yáng)程 HA，如果全揚(yáng)程小于靜揚(yáng)程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚(yáng)程也是能夠供水的“基本揚(yáng)程” 。如果把某一水泵揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標(biāo)系中(圖 23)，則這兩條曲線的交點(diǎn)A 就是水泵的工作點(diǎn)。一旦當(dāng)水泵和管阻特性中的一個(gè)參數(shù)或所有參數(shù)同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。 水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。這時(shí)管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。此時(shí)，管阻特性由曲線 2 變?yōu)榍€ 4，水泵的工況點(diǎn)則沿著水泵特性曲線由 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)，此時(shí)流量減小了，但揚(yáng)程卻由 HA 增大到 HB。如圖 24，當(dāng)用戶所需用水流量由 QA 減小至 QB，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ 3，管阻特性仍為特性曲線 2，故工作點(diǎn)從 A 點(diǎn)移動(dòng)到 C 點(diǎn)，在 C 點(diǎn)流量減小為 QB，而揚(yáng)程減小為 HC，供水功率與面積 0ECHC 成正比。 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點(diǎn)調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點(diǎn)如圖 所示，理想運(yùn)行特性曲線為直線 H*ABC。這種調(diào)速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機(jī)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比。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)12根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調(diào)速方法由公式 ()可知，異步電動(dòng)機(jī)可以通過改變電源頻率、磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這些方法的共同特點(diǎn)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(jì)性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制。實(shí)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。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進(jìn)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。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。通過對電機(jī)的幾種調(diào)速方式的分析比較，采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。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(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。在運(yùn)行中，當(dāng)用水量增大的時(shí)候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于 Uf 時(shí)，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)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。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。采用 PLC，由于其本身抗干擾能力強(qiáng)，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)。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)”的模式 [13]。當(dāng)水泵采用循環(huán)的控制方式時(shí)，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(shí)，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?fàn)顟B(tài)。(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(yùn)行可靠性。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行戶以 D 轉(zhuǎn)換。信號有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。(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。變頻器拖動(dòng)某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(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)先將變頻器從水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺水泵電機(jī)。通過人機(jī)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(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)。開始啟動(dòng)運(yùn)行滿足小水泵運(yùn)行條件實(shí)際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實(shí)際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報(bào)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(bào)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(dòng)信號后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)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(jì) 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)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(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，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(yùn)行狀態(tài)。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(yùn)行。 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(dāng)一臺調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。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 0HZ。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 [14]。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(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。對于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。考慮到只有當(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 35 表示。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立有問題:實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切換的誤操作。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作 [17]。 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(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)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。 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(shí)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(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。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(dòng) 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(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)24PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下。比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。但過大的 TD 對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。PID 位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)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(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大；另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量 u(k)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。當(dāng)供水能力 QG 和用水需求 QU 之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [22]：(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能力 QG=用水需求 QU，目標(biāo)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(yùn)行。這一動(dòng)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)。其關(guān)系如圖 43。其關(guān)系為: 壓力目標(biāo)值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。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(shí)間，設(shè)定范圍 ～3600s；H24 用以設(shè)定微分時(shí)間，設(shè)定范圍 ～ 。圖 44 PID 參數(shù)調(diào)整（1）抑制超調(diào)增大 H23（積分時(shí)間） ，減小 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 a。設(shè)定 0 時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小 H22（增益） ，如圖 d。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 。（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。（3）抑制比 H23（積分時(shí)間）長的周期性振蕩增大 H23（積分時(shí)間） ，如圖 44 c。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。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。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。圖 43 PID 模式PID 模式預(yù)置H20 用以設(shè)置 PID 模式。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 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)。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。u?IDIT=KpP，增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸