【正文】 y, according to the water supply system to control the pressure and flow export of frequency switching between motor pump group, so the system and speed in the most reasonable position, make sure ondemand water supply. a kingview for the monitoring software .Commissioning and operation shows that the system can be automatic control of water supply process can effectively reduce the energy consumption and ensure the water supply system to maintain in the best operation condition, improve production management level. Monitoring systems easy installation and maintenance, operation is stable, reliable。我國(guó)家是一個(gè)在水資源和電能方面都很短缺的國(guó)家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關(guān)降低供水系統(tǒng)能耗的問題。變頻恒壓供水系統(tǒng)自 80 年代世界各國(guó)將其投入工業(yè)應(yīng)用以來，它顯示出了強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)力，采用該系統(tǒng)供水可以取得非常顯著的節(jié)能效果，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動(dòng)電流大，觸點(diǎn)易燒，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)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(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。單片機(jī)變頻調(diào)速供水方式優(yōu)點(diǎn)是能做到變頻調(diào)速、自動(dòng)化程度優(yōu)于以上幾種供水方式，可以定時(shí)供水等，缺點(diǎn)是系統(tǒng)開發(fā)周期較長(zhǎng)、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(jiǎn)介 國(guó)內(nèi)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀目前，國(guó)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(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。這些供水方式都需要將水提升到一個(gè)滿足最高層用戶用水的固定高度上，這樣，就有相當(dāng)一部分電能被浪費(fèi)。在國(guó)外,一個(gè) 10x10，m3/d 的水廠只需 3~5 人管理。 （3） 運(yùn)行安全可靠水泵電機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，可以避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，減少對(duì)電網(wǎng)電，避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂而造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。 （6）容錯(cuò)性當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，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(dòng)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(shí)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(jì)的主要內(nèi)容本課題來源于茂名市河?xùn)|水廠的實(shí)習(xí)。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下:1）通過揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。5）對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)及可編程序控制器(PLC)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。以耐/s( 米 3/秒)、m3/h(米 3/小時(shí) )、七/:(千克/秒)、t/:(噸/ 秒)等表示。克服水在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)所需的能量。即水泵揚(yáng)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(shí)際所獲得的凈功率；軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來功率，即由電動(dòng)機(jī)傳給水泵軸上的功率。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。圖中 A1 點(diǎn)是流量較小(等于 Q1)時(shí)的情形，這時(shí)全揚(yáng)程較大，為 H1；A2 點(diǎn)是流量較大(等于 Q2)時(shí)的情形，這時(shí)全揚(yáng)程較小，為 H2。圖 21 水泵的揚(yáng)程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等) 對(duì)水流阻力的物理量。反之，在供水流量較大(Q=Q 2)時(shí)，所需揚(yáng)程也較大(H=H 2)，如點(diǎn) B2。這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵并非總是固定在 A 點(diǎn)。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚(yáng)程 H 的乘積(如圖 23 中 0QAAHA 的面積)成正比。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求。當(dāng)用戶所需流量減少時(shí)，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(huì)因管網(wǎng)過載而造成爆管的危險(xiǎn)。(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(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對(duì)流量的要求，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)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(yáng)程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實(shí)際工程需要。三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是指在電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變的條件下，通過控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到用戶要求。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動(dòng)機(jī)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(jī)等。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)、保護(hù)電路構(gòu)成。操作面板是變頻器人機(jī)對(duì)話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，或者修改變頻器的運(yùn)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PID電 機(jī) 水 泵反 饋 電 壓+Uf P變 頻 器U* 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)。由于有良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)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(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。(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(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過程中，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):(1)水壓信號(hào):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(hào)。(2)液位信號(hào):它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足?？刂葡到y(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(gè)部分。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號(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。人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。其需要完成的控制流程如圖 所示。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)一號(hào)泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，一號(hào)泵恒速運(yùn)行，同時(shí)使第二臺(tái)水泵二號(hào)泵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。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。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，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。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。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)又滿足了機(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。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(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 [16]。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)?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。所謂延時(shí)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(jìn)行機(jī)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(shí)間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)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(diǎn)：理論成熟，算法簡(jiǎn)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(shí)間常數(shù)；T D 表示微分時(shí)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(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)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(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)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(dá)式： （44 ）0(){()()[()1)]}kDDpjukKeeke?????式(44) 中，T 表示采用周期，k 表示采用序號(hào)，e(k)表示第 k 時(shí)刻的偏差信號(hào)，e(k1)表示第 k1 時(shí)刻的偏差信號(hào)，u(k)表示第 k 時(shí)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(shí)現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對(duì)水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4～20mA 的模擬電流信號(hào)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(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。（3）用水量減少時(shí)當(dāng)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(hào) 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(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。設(shè)定值 0：不動(dòng)作；1：正動(dòng)作；2：反運(yùn)行。壓力目標(biāo)值的預(yù)置壓力目標(biāo)值是一個(gè)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(yù)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(shí)間）同樣長(zhǎng)周期的振蕩減小 H24（微分時(shí)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(duì)主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的切換。圖 51 供水系統(tǒng)圖上 位 機(jī) 通 信 模 塊 PLC變 頻 器 PID調(diào) 節(jié) 器故 障 自 動(dòng) 報(bào) 警 壓 力 變送 器清 水 池 用 戶 管 網(wǎng)工 頻 輸 入 變 頻 輸 出進(jìn) 水 管 電 動(dòng) 閥 門 一 號(hào) 泵二 號(hào) 泵三 號(hào) 泵輔 助 泵 主電路設(shè)計(jì)三臺(tái)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、工頻、停泵三種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過兩個(gè)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(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過一個(gè)接觸器接入工頻。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)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(jìn)行。圖 52 主電路RST變 頻 器UVW一 號(hào) 二 號(hào) 泵 三 號(hào) 泵 輔 助 泵FR1FR2FR3FR4 電氣控制電路設(shè)計(jì)在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺(tái)電機(jī)同時(shí)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(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。P L CK A 1 K A 2K A 5 K A 6K A 3 K A 4K A 7K ANL 1自動(dòng)手動(dòng)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 6