【正文】 業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。(2)壓力供水氣壓罐供水方式屬于壓力供水，具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動電流大，觸點易燒，系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。單片機變頻調(diào)速供水方式優(yōu)點是能做到變頻調(diào)速、自動化程度優(yōu)于以上幾種供水方式，可以定時供水等，缺點是系統(tǒng)開發(fā)周期較長、參數(shù)設(shè)置煩瑣、可靠性比較低、維修不方便，不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)簡介 國內(nèi)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)大中城市的水廠基本上都采用變頻恒壓供水方式，生產(chǎn)過程的重要參數(shù)可以實行自動監(jiān)測。這些供水方式都需要將水提升到一個滿足最高層用戶用水的固定高度上，這樣，就有相當一部分電能被浪費。在國外,一個 10x10，m3/d 的水廠只需 3~5人管理。 （3） 運行安全可靠水泵電機采用軟啟動方式，可以避免電動機啟動時的電流沖擊，減少對電網(wǎng)電，避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂而造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。 （6）容錯性當出現(xiàn)意外情況時，系統(tǒng)能根據(jù)水泵及變頻器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。(3) 自來水廠增壓系統(tǒng)。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過去變頻供水較少涉及高壓變頻系統(tǒng)，這也是系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，高一低一高型的高壓變頻系統(tǒng)，串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)目前已在實際應(yīng)用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問題己逐步得到解決。 課題來源及本設(shè)計的主要內(nèi)容本課題來源于茂名市河東水廠的實習。本設(shè)計的主要內(nèi)容如下:1）通過揚程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點，根據(jù)管網(wǎng)和 第一章 緒論 5水泵的運行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。5）對變頻調(diào)速技術(shù)及可編程序控制器(PLC)進行簡單介紹。以耐/s( 米 3/秒)、m3/h(米 3/小時 )、七/:(千克/秒)、t/:(噸/ 秒)等表示?？朔诠芫W(wǎng)中流動時所需的能量。即水泵揚程最終反映的是水泵供水高度。有效功率 PM(KW)為泵內(nèi)液體實際所獲得的凈功率；軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即由電動機傳給水泵軸上的功率。當轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。圖中 A1 點是流量較小(等于 Q1)時的情形，這時全揚程較大，為 H1；A2 點是流量較大(等于 Q2)時的情形，這時全揚程較小，為 H2。圖 21 水泵的揚程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等) 對水流阻力的物理量。反之，在供水流量較大(Q=Q 2)時，所需揚程也較大(H=H 2)，如點 B2。這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化。實際運行時水泵并非總是固定在 A 點。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚程 H 的乘積(如圖 23 中 0QAAHA 的面積)成正比。閥門控制法的實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水HBF HA c H0 B4123 閥 門 關(guān) 小 閥 門 開 大 額 定 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 速 下 降C 0 QBQAQ廣東石油化工學院本科畢業(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10路中的阻力大小來強行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。當用戶所需流量減少時，設(shè)從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關(guān)小來減少水泵出口水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會因管網(wǎng)過載而造成爆管的危險。(2) 轉(zhuǎn)速控制法轉(zhuǎn)速控制法屬于變速調(diào)節(jié)，是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變(通常為最大開度) ，轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求，當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變而管阻特性不變。但由于開環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，揚程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實際工程需要。三相異步電動機的調(diào)速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉(zhuǎn)速，達到用戶要求。異步電動機的轉(zhuǎn)差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。(2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機等。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀 T 等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護電路構(gòu)成。操作面板是變頻器人機對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運行狀態(tài)，或者修改變頻器的運行參數(shù)。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。 用水少而供水多，則壓力大。供水壓力 P 作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送PID電 機 水 泵反 饋 電 壓+Uf P變 頻 器U* 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 15器、恒壓控制單元及低壓電器等。為了提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在變頻器+PLC 控制的基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計算機。由于有良好的人機界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀。(1)調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、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。(2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:(1)水壓信號:它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。(2)液位信號:它反映水泵的進水水源是否充足。控制系統(tǒng)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)備三個部分。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。其需要完成的控制流程如圖 。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機一號泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，一號泵恒速運行，同時使第二臺水泵二號泵投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在 50HZ 時進行。另外，變頻廣東石油化工學院本科畢業(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20器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ 左右。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 21水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命 [16]。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，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)系相對應(yīng)?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，設(shè) 定 壓 力 實 際 壓 力Δ Pd/2減 泵 下 限 頻 率增 泵 設(shè) 定 壓 力 實 際 壓 力上 限 頻 率廣東石油化工學院本科畢業(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22則進行實際的機組切換操作。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。具有以下優(yōu)點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 PID 控制規(guī)律為： （42 ）p1()u(t)=K[()]DdetettT??式（42）中，K p 表示比例系數(shù)；T 1 表示積分時間常數(shù)；T D 表示微分時間常數(shù)。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù) K 的增大而減少。直到系統(tǒng)偏差為零。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。用一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達式： （44 ）0(){()()[()1)]}kDDpjukKeeke?????式(44) 中，T 表示采用周期，k 表示采用序號，e(k)表示第 k 時刻的偏差信號，e(k1)表示第 k1 時刻的偏差信號，u(k)表示第 k 時刻的控制量。 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程分析變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG 適應(yīng)用水 QU 需求變化。其實現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4～20mA 的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。廣東石油化工學院本科畢業(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26（3）用水量減少時當用水量減少，用水需求 QU供水能力 QG，水壓上升，壓力反饋信號 y 增大，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復，維持供需平衡。設(shè)定值 0：不動作；1：正動作；2：反運行。壓力目標值的預置壓力目標值是一個比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關(guān)。P、I 、D 參數(shù)預置P、I、D 參數(shù)通過 H2H23 、H24 來設(shè)定。常見有下面幾種情況。（4）抑制大約和 H24（微分時間）同樣長周期的振蕩減小 H24（微分時間） 。（3）變頻器的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其顯示的數(shù)值常不穩(wěn)定。（2）電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實現(xiàn)手動或自動控制的切換。圖 51 供水系統(tǒng)圖 主電路設(shè)計三臺大容量的主水泵（1，2 ，3）根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工上 位 機 通 信 模 塊 PLC變 頻 器 PID調(diào) 節(jié) 器故 障 自 動 報 警 壓 力 變送 器清 水 池 用 戶 管 網(wǎng)工 頻 輸 入 變 頻 輸 出進 水 管 電 動 閥 門 一 號 泵二 號 泵三 號 泵輔 助 泵 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 31頻、停泵三種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運行在工頻狀態(tài)，通過一個接觸器接入工頻。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子FWD（ REV）來操作，不得以主電路空氣開關(guān) Q7 的通斷來進行。圖 52 主電路 電氣控制電路設(shè)計在控制電路的設(shè)計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。圖 53 電氣控制線路圖圖 53 中，SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA 為手動/自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置 KA 吸合，為自動狀態(tài)。中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。FRFR2 、FR3 、FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護。 S7－200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性能價格比，是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，各種單獨的模塊之泛組合以用于擴展；簡單實用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；方便用戶和簡易的無風扇設(shè)計；當控制任務(wù)增加時，可以自由擴展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。PLC 和上位機的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點對點接口（ PPI）