【正文】 常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點(diǎn)的用水需求，同時(shí)還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術(shù)要求。這類型用水需求在較長(zhǎng)時(shí)間段表現(xiàn)為低流量，相對(duì)于設(shè)計(jì)流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)30％。多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的。供水系統(tǒng)的恒壓通過(guò)壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。 綜上所述，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： 1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由變頻泵和附屬小泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；附屬小泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如：夜間)對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。 3)控制機(jī)構(gòu)：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(gè)部分。 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。 3)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(在下文有詳細(xì)的闡述)時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)M1切換至工頻電網(wǎng)供電后，M1恒速運(yùn)行，同時(shí)使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過(guò)程。在50Hz頻率下運(yùn)行60S管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值，此時(shí)，該臺(tái)水泵需切換到工頻運(yùn)行。切換完成后，在打開(kāi)電動(dòng)閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上啟動(dòng)并運(yùn)行，在開(kāi)電動(dòng)閥。其控制流程圖如下所示： 開(kāi) 始水壓低？輔 助 泵 運(yùn) 行設(shè)定時(shí)間到？達(dá)到設(shè)定壓力值？變頻啟動(dòng)主泵A停止輔助泵YNYNNY （1）主 泵 A變 頻 運(yùn) 行主泵B變頻運(yùn)行達(dá)到設(shè)定壓力值？達(dá)到設(shè)定時(shí)間？主泵A工頻運(yùn)行運(yùn)行在最低出水頻率以下？主泵A停止變頻啟動(dòng)主泵BYNYNNY（2）主泵B變頻運(yùn)行到達(dá)設(shè)定壓力值？運(yùn)行在出水頻率以下？（3）主泵B變頻運(yùn)行主泵A停止YN NY報(bào) 警 供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)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(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)調(diào)速水泵和工頻運(yùn)行水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻運(yùn)行水泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50HZ時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。從上面的分析可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)上限頻率，而實(shí)際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時(shí)，存在的實(shí)際供水壓力差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實(shí)際供水壓力也不會(huì)提高。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過(guò)了設(shè)定壓力。可以預(yù)見(jiàn)，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入專切出專再投入專再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。設(shè)定壓力實(shí)際壓力設(shè)定壓 力實(shí)際壓力增泵△Pd/2△Pd/2減泵 （上限頻率） （下限頻率） 用于壓力判斷的回滯環(huán) 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力小△Pd／2的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組增加；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／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。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 變頻器的選型 要對(duì)系統(tǒng)所用的變頻器進(jìn)行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據(jù)所配電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定電流來(lái)確定變頻器容量。外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式IC0141。根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量和設(shè)計(jì)供水壓力(水泵揚(yáng)程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺(tái)中山市永通消防機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Y系列主水泵機(jī)組和1臺(tái)Y系列輔助泵機(jī)組。經(jīng)過(guò)以上的分析，將實(shí)際的機(jī)組切換的條件優(yōu)化為： 增泵條件：f=fup pf＜ps△pd2 且延時(shí)判別成立 減泵條件：f=flow pf＞ps+△pd2 且延時(shí)判別成立 本章小結(jié) 本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型；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；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。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(wèn)題： 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)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)組切的誤操作。在恒壓供水中，機(jī)組的切換為機(jī)組增加與機(jī)組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關(guān)系相對(duì)應(yīng)。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過(guò)設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。所以，選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為水泵機(jī)組切換的時(shí)機(jī)是合理的，但要做以下考慮。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于OHZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20HZ左右。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是OHZ。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。這樣無(wú)“水錘”現(xiàn)象。連接在電機(jī)工頻回路中的空氣開(kāi)關(guān)容量為400A,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試切換過(guò)程的電流沖擊較小，每一次切換都百分百成功。循環(huán)投切的工作過(guò)程：變頻器的輸出端不能連接電源，也不能運(yùn)行中帶載脫閘，切換過(guò)程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行。系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補(bǔ)水的狀態(tài)。當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。 現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說(shuō)明如下： 1)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵M1，通過(guò)恒壓控制器，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M1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M1工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)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。 2)信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。為了減少對(duì)泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動(dòng)蝶閥，開(kāi)啟水泵后打開(kāi)電動(dòng)碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)碟閥后停機(jī)。處于供水低谷小流量或夜間小流量時(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺(tái)小流量泵來(lái)維持正常的泄漏和水壓。 由于用水呈低流量變化型的特點(diǎn)，采用多臺(tái)水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺(tái)數(shù)的方案。 不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量；間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱?；各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖2．4所示。通過(guò)對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器’’的控制方式更適合于本系統(tǒng)。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能價(jià)格比。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(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。；P2P1 =（N2N1）179。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： Pf=γH1Q2102η （24） 當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。因此，揚(yáng)程特性將水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。閥門(mén)控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qc之間的關(guān)系H=f（Qc）。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f（Qu）。論文介紹了計(jì)算機(jī)和PLc通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。具體而言，論文包括以下內(nèi)容： 1)論文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法； 2)分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型；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；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。 2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長(zhǎng)。壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。 6)可擴(kuò)充性：水泵的電氣控制柜，具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。 3)多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。這種編程方法是在傳統(tǒng)繼電器梯形圖基礎(chǔ)上進(jìn)行一定演變而形成的，突出了各編程原件之間的邏輯關(guān)系。當(dāng)用戶程序己裝入PLC的存儲(chǔ)器，編程器就可以被分離，基本控制單元將自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)。它又包括基本控制單元軟件和編程軟件兩部分。用擴(kuò)展模板來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對(duì)PLC作硬件組態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時(shí)節(jié)省開(kāi)支，減少不必要的投資。不同廠家、不同型號(hào)的PLC的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)也不同，有的大型機(jī)輸入／輸出點(diǎn)數(shù)可達(dá)16K，而很多小型機(jī)僅有10來(lái)點(diǎn)，而且CPU本身不帶模擬輸入與輸出，但CPU一般都帶有擴(kuò)展接口。編程器的結(jié)構(gòu)一般包括顯示部分與鍵盤(pán)部分。用于IBM—PC及其兼容機(jī)的編程器是個(gè)人計(jì)算機(jī)加上適當(dāng)?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?，也可直接編制成梯形圖，其監(jiān)控功能也很強(qiáng)。圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來(lái)顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時(shí)顯示各種信號(hào)狀態(tài)、出錯(cuò)提示等。5)編程器：它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號(hào)，提供給執(zhí)