【正文】 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理分析 電動機的調(diào)速原理 交流電動機的同步轉(zhuǎn)速 Pfn 11 60? （ ） 式中 1n 同步轉(zhuǎn)速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機的磁極對數(shù)。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。只有在這一點，供水系統(tǒng)的供水流量 Qc 和用戶的用水流量 Qu 處在平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既符合了管阻特性，也滿足了揚程特性 ，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。在實際用水中，水需求量是實時變化的，如果在一段時間內(nèi)閥門開度保持不變，必然出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。當(dāng)使用調(diào)速控制時，如果采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，平衡工作點從 E 點轉(zhuǎn)移到D 點。 （ 3）變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果 變頻調(diào)速的優(yōu)點及應(yīng)用 大部分的電機拖動場合均可使用變頻調(diào)速，由于其能夠提供精確的速度控制，因此可方 便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。可以使用給定線進行頻率信號的控制。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （ ） PID 控制器 P 、 I 、 D 環(huán)節(jié)的作用以及調(diào)節(jié)規(guī)律： (1) 比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控 制系統(tǒng)偏差信號，一旦產(chǎn)生偏差 e(t)，控制器隨之產(chǎn)生控制作用，實現(xiàn)減小偏差，但不能夠消除系統(tǒng)偏差隨著比例系數(shù) Kc 的增大，系統(tǒng)偏差減小，但比例系數(shù)過大會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。最后，比例度從大到小進行搜索，直到控制過程滿足工藝控制要求 [10][11]。如果控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差（表現(xiàn)為振蕩現(xiàn)象），可適當(dāng)加大控制度，直到獲得滿意的控制效果。 。 （ 3） PLC 的性能指標(biāo) 。 。其有以下特點： (1) 具有 24 個輸入點， 10 個輸出點，共 40 個數(shù)字量 I/O 點。擴展模塊主要有四類：數(shù)字量輸 入 /輸出（ DI/DO）模塊、模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊、通信模塊和特殊功能模塊。 3) 分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 變頻器的選型 變頻器的具體選型 變頻器是控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變出水流量。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為~90KW，適用 于功率大、要求高的場合，恰好其輸出信號能作為 的水泵電機的輸入信號。在水泵選型時有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚程選擇滿足揚程要求的水泵。 （ 4） 應(yīng)盡量選用高效節(jié)能且噪音較低的水泵，不可采用市場 淘汰產(chǎn)品。 根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定 3臺常規(guī)泵采用 格蘭富 水泵 CR324 AFAE HE，其額定揚程為 ，其余條件也均符合，輔助泵選擇 CR156 ， 其 額定流量 15m3/h， 6級葉輪的多級離心水泵，功率 ，揚程 60~70米 ，符合要求，以上 水泵外殼、軸上均采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采 用鑄造件，經(jīng)靜電噴塑處理，效率提高 5%以上。在實際應(yīng)用 中 傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。 （ 6） 溫度范圍 壓力傳感器的溫度范圍分為工作溫度范圍 和 補償溫度范圍。 （ 4） 線性度 在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離 稱為線性度 。 （ 1） 額定壓力范圍 滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍 及稱為 額定壓力范圍。 100戶的參考流量在12~15m179。 （ 3） 要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動機的參數(shù)，以使電動機與變頻器相配，電動機參數(shù)如表 所示 電動機參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)置 P0010 為 0，使變頻器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，絕緣柵雙極型晶體管作為其功率輸出器件，具有較高的運行可靠性和很強的功能。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 (2) EM232： 2 路 12 位模擬量輸出（ AO）模塊 1) 輸出范圍：電壓 ? 10V；電流： 0~20mA。 (7) PLC 編程采用 STEP7Micro/win，它是 SIMATIC PLC 的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試 [12]。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常 I/O 點數(shù)按實際需要的考慮留 10%～ 15%點數(shù)備用量。 。 ，擴展能力強。 （ 2） PLC 的特點： 。 4）根據(jù)選擇的控制度，參照表 計算 Ts、 Kc、 Ti 和 Td 的值。 參數(shù)整定方法 （ 1） 經(jīng)驗整定法 可根據(jù)表所示的被控過程特點確定控制器參數(shù)的范圍。系統(tǒng)由被控對象和模擬 PID 控制器構(gòu)成，圖 為控制系統(tǒng)原理圖，圖中 u(t)是 PID 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)量 [9]。外接模擬量控制信號時，電壓信號一般有： 0~5V、 0~10V 等，外接電流電流信號一般有： 0~20mA 或 4~20mA。 （ 2）目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。綜上關(guān)系可得，水泵輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方 成正比，即： HQkP1? () Qkn 2? () 23QkH? () 3knP? () 式中 k、 k k k3為比例常數(shù)。閥門控制法通過調(diào)節(jié)閥門開度以調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速恒定不變。因此，管阻特性反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。電源頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，就能夠平滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速 n。 (6) 完善的保護、報警功能 在供電控制回路上對工頻、變頻電源實現(xiàn)電氣與機械互鎖，防止產(chǎn)生短路。等待電源恢復(fù)后，系統(tǒng)將自動恢復(fù)運行，然后按照自動運行方式啟動 1泵變頻運行（與上述規(guī)律相同），直到達到給定水壓值，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 (4) 人機界面 人機界面是人與機器進行信息交互的場所。該信號為開關(guān)量信號。原理圖如圖 所示 設(shè)定壓力 + 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理圖 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 水泵 壓力檢測 PLC 5 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 圖 供 水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖 ，整個系統(tǒng)由四臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。 本文的結(jié)構(gòu) 本文以普通城市小區(qū)恒壓供水作為應(yīng)用背景，對基于 PLC 的變頻調(diào)速技術(shù)進行研究。 這類設(shè)備雖說微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是其輸出接口 3 的擴展功能缺少靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，且限制了帶負(fù)載的容量所以在實際使用時其范圍將會受到局限 [3]。氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點，聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。這種供水方式 ，供水壓力相對穩(wěn)定。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)作為其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性將直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平。系統(tǒng)實時比較管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值偏差的變化情況，經(jīng)PLC 進行 PID 運算，由 PLC 控制水泵電機的變頻、工頻切換，自動控制水泵電機投運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。 PID。而變頻恒壓供水系統(tǒng)的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。是利用壓差和來水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝實現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不健全，再加上該供水方式會出現(xiàn)有壓無量 (流量 )的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。變頻恒壓供水系統(tǒng)必將在將來的生產(chǎn)生活中成為新興主流供水方式 [2]。雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱。根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計。 (1) 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是由水泵組構(gòu)成，它們用于將水供給用戶管網(wǎng)，圖 3個常規(guī)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻器控制可以變頻調(diào)速的水泵，根據(jù)用水量的變化情況改變電機的轉(zhuǎn)速，用以維持管網(wǎng)水壓的恒定。供水控制器直接采集系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號，對人機接口和通訊接口所提供的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算 法，得出控制執(zhí)行機構(gòu)的方案，通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (水泵 ) 進行規(guī)律控制。 (5) 通訊接口 通訊接口作為本系統(tǒng)的重要組成部分，借助于該接口，系統(tǒng)能夠和組態(tài)軟件以及其他的工控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以把現(xiàn)代較為先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，類似于可以對系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程診斷和維護等。 (3) 停止 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進入停機狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。 而異步電動機轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsnn ???? （ ） 式中 s 異步電機轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? ，一般小于 3%。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚程 特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 兩者之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)基本特征 水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。轉(zhuǎn)速控制法則是 通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開度，是通過改變水的動能來改變流量。此情況下水泵輸出功率正比于 H0 Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)使用閥門控 制流量時，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被損耗，并伴隨著閥門開度減小，閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線將上移，運行工況點也將隨之上移，于是 H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性，使變速不依賴于機械部分，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。 （ 3）通信接口方式 可以通過通信接口，如 RS48 PROFIBUS 等，來進行遠(yuǎn)程的頻率給定。 (2) 積分環(huán)節(jié)：只要偏差存在，控制就會發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差變?yōu)榱恪? ? ? ? ?? ? ???????? ???? sTsTKSE SUSG diPc11? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?????? ??? ? td tdeTtdteTteKty dic1 14 表 被控過程特點和控制器參數(shù) 項目 流量、液體壓力 氣體壓力 液位 溫度、蒸汽壓力 成分 時滯 容量數(shù) 周期 噪聲 無 多容量 1~10s 有 無 單容量 0 無 無 單容量 1~10s 有 變動 3~6 Min~h 無 恒定 1~100 Min~h 往往存在 比例度 積分作用 微分作用 100%~500% 50%~200% 重要 不用 0~5% 不必要 不必要 5%~100% 少用 不用 10%~100% 用 重要 100%~1000% 重要 可用 （ 2） 擴 充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法，實際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定數(shù)字 PID 算式中的 Ts、 Kc、 Ti 和 Td。 15 表 擴充臨界比例帶法 PID參數(shù)整定 控制度 調(diào)節(jié)規(guī)律 Ts/Tcr Kc/Kcr Ti/Tcr Td/Tcr PI PID PI PID PI PID PI