【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 18 頁 共 47 頁 (c) 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式。 (a) 供水控制器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 A/D 轉(zhuǎn)換。變頻泵是由變頻調(diào)速器控制，且可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。 通過對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)進行數(shù)據(jù)交換；通用性強，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)。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。 PID 調(diào)節(jié)動態(tài)平衡如圖 所示： 時間（T）輸出頻率（Hz）超調(diào) 圖 PID 調(diào)節(jié)動態(tài)平衡 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)方案的確定 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的方案設(shè)計與選擇 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。 DT 偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長；當 DT 偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；只有 DT 合適時，才可以得到比較滿意的過渡過程 [6]。其控制規(guī)律為： ?????? ???? dt tdeTdtteTteKtu DIP)()(1)()( （ 3－ 3） 式中： PK —— 比例系數(shù) IT —— 積分時間常數(shù) DT —— 微分時間常數(shù) e —— 偏差信號 u —— 輸出 PID 參數(shù)一般按照工藝對控制性能的要求來選擇比例 系 數(shù) PK 、 積分常數(shù) IT 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 14 頁 共 47 頁 和微分常數(shù) DT 。也 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 13 頁 共 47 頁 就是使反饋量與目標值相一致的一種通用控制方式。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。如圖 所示： 變 頻 器（ P I D ）水 泵 管 網(wǎng)壓 力 檢 測 儀 表給 定參 數(shù)頻 率 轉(zhuǎn) 速 實 際 壓 力 反 饋 參 數(shù) 圖 變頻恒壓控制的原理圖 變頻恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)原理 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為 Proportional ( 比例 )、Integral(積分 )、 Derivative(微分 )控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 從圖 中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過 PID 計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 12 頁 共 47 頁 頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應(yīng)該輸出的頻率。而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與原供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行變頻恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時一般要經(jīng)歷兩個過程 :零壓過程和壓力上升過程。根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。 (2) 非線性：用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。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，運行工況點也隨之上移，于是 1H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。 用閥門控制和調(diào)速控制的管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線對比情況如圖 所示。 轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機的調(diào)速。其中異步電動機定子三相對稱繞組空間相隔 ?120 ,當通以三相對稱電流時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即 異步電機的同步轉(zhuǎn)速為： pfn 11 60? （ r/min） （ 2－ 1） 異步電機的轉(zhuǎn)差率為 : 11n nns ?? （ 2－ 2） 異步電機的轉(zhuǎn)速為 : )1(60)1( 11 spfsnn ???? （ 2－ 3） 式中： 1f —— 異步電機的定子繞組電源頻率 p —— 異步電機的磁場極對數(shù) s —— 異步電機的轉(zhuǎn)差率 1n —— 異步電機的同步轉(zhuǎn)速 (r/min) n —— 異步電機轉(zhuǎn)速（ r/min） 由上面式子可以看出，要改變電機的轉(zhuǎn)速，可以通過改變電源頻率 1f 、極對數(shù) p 以及轉(zhuǎn)差率 s 三個方面來實現(xiàn)，各種交流電機的調(diào)速都是圍繞著這三個方面來考慮的，其調(diào)速方法有：變頻調(diào)速 、 變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，管阻特性所反映的是揚程 H 與供水流量 cQ 之間的關(guān)系 )( cQfH? 。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 )( uQfH? 。論文分析了計算機和 PLC 通信系統(tǒng)的組成和協(xié)議，并選用 MCGS 組態(tài)軟件作為上位機軟件開發(fā)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)供水狀況的遠程監(jiān)控。確定了變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了具體的變頻恒壓供水的控制流程和工作原理，以及變頻恒壓供水中水泵切換的條件。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好 的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐 [3]。系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。對于水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 PLC 及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。隨著交流電機變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，變頻調(diào)速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點成為一種很有發(fā)展前途的供水方式 [2]。恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng) ，破壞性大，目前較少采用。它利用 PLC、傳感器、變頻器及水泵機組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網(wǎng)壓力保持恒定，代替了傳統(tǒng)供水控制方案，具有自動化程度高，高效節(jié)能的優(yōu)點，在小區(qū)供水和工廠供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。46 參考文獻 36 PLC 與上位機的通信 30 本章小結(jié) 26 PLC 程序設(shè)計 22 系統(tǒng)電路設(shè)計 11 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)方案的確定 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 緒論 1 變頻恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義 6 水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理 10 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 14 本章小結(jié) 36 上位機監(jiān)控界面設(shè)計 39 本章小結(jié) 因此如何保證在供水量波動的時候水壓恒定，采取變頻調(diào)速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式。 變頻恒壓供水系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的供水方式主要有 :恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式 普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以適應(yīng)當前經(jīng)濟生活的需要。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓 力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速。這兩種方法，前者容易實現(xiàn)，軟起動器一般為成品部 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 共 47 頁 件，但設(shè)備投資較大；后者設(shè)備投資少，但頻率波動大，易引起水管管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 EMC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 (2) 通過對 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析，給出了恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學模型，并且分析了變頻恒壓控制的原理及 PID 的調(diào)節(jié)原理。 (4) 變頻恒壓 供水系統(tǒng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)采取上、下位機的組成方式，通過上 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 47 頁 位機計算機和下位機 PLC 的通信，在計算機上監(jiān)控供水現(xiàn)場的運行情況，實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動運行。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下 ，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 uQ 之間的關(guān)系。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。如圖 所示： 管阻特性揚 程 特 性QH AAQAH)(m)/( 3 sm 圖 供水系統(tǒng)的基本特征 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 6 頁 共 47 頁 變頻調(diào)速供水的原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。 交流電動機分為同步機和異步機兩大類型。 變頻調(diào)速時，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、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此水泵不能總保持在一個工況點， 需要根據(jù)實際情況進行控制。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。此時水泵輸出功 率用圖形表示為),0( 02 HDQ 圍成的矩形面積，其值為 : ??102 20QHPD ? （ 2－ 5） 可見，改用調(diào)速控制 ,節(jié)能量為 ),( 10 HFDH 圍成的矩形面積，其值為： ?????? 102 )(102102 2020021 QHHQHQHPPP DF ??????? （ 2－ 6）