【正文】 一 號(hào) 泵 二 號(hào) 泵 三 號(hào) 泵 輔 助 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17(4)輔助泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí)( 如:夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音。此信號(hào)來自在安裝于水源處的液位傳感器。(3)電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。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)行水泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。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。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了設(shè)定壓力。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。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即創(chuàng)門維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足。 PID 控制及其控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional（比例） 、Integral（積分） 、Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。（1）比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差 e (t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) T1，T 1 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。數(shù)字 PID 控制算法 [20][21]自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力 QG 和用水需求QU 之間的乎衡。0000流量Q水壓PP I D輸出控制增量Δ u輸出頻率 f（ 轉(zhuǎn)速 ） nttttt 1t 2 t 3t 4 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 27圖 變頻調(diào)速恒壓供水 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 PID 控制功能參數(shù)設(shè)置變頻器 PID 控制功能代碼有 HH21 、H2H2H2H25 共 6 個(gè)，通過對(duì)功能代碼的設(shè)定來保證合理的 PID 運(yùn)行。根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)情況及水壓需要，確定總出水口水壓大小為 ，選用的遠(yuǎn)傳壓力表量程是 0～1MPa，則目標(biāo)值為 40%。（2）允許小量超調(diào)前提下加快響應(yīng)速度減小 H23（積分時(shí)間） ，增大 H24（微分時(shí)間） ，如圖 44 b。本章的主要內(nèi)容有分析 PID控制器的基本原理和供水系統(tǒng)中 PID調(diào)節(jié)過程，討論了 PID參數(shù)的調(diào)節(jié)方法。變頻器的主電路輸出端子（U、V 、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的相序，否則無法工作。通過隔離，可延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。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。電動(dòng)機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA7 控制接觸器 KM1KM7 的線圈來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大，可隨時(shí)使用附加模塊對(duì) PLC 進(jìn)行擴(kuò)展。因此我們?cè)谶x擇 PLC 時(shí)，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動(dòng)控制泵的起停。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器來作互鎖。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。（4）PLC 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對(duì)恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號(hào)指示報(bào)警及與上位機(jī)的通訊聯(lián)絡(luò)。在 PID 功能有效且完成參數(shù)預(yù)置后，變頻器完全按用戶設(shè)定的 P、I、D 調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)行，其工作特點(diǎn)是：（1）變頻器的輸出頻率只根據(jù)水壓實(shí)際壓力大小與設(shè)定的目標(biāo)壓力的偏差進(jìn)行調(diào)整，與被實(shí)際水壓大小并無對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于 P、I、D 的取值與系統(tǒng)的慣性大小有很大的關(guān)系，需經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)試，可按以下總體原則來進(jìn)行整定。在供水系統(tǒng)中，當(dāng)壓力增大（即用水量減少） ，水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)下降，即變頻器輸出頻率與被控量（水壓）的變化趨勢(shì)相反，所以選取模式 2。如圖 42 中的 0～t1 段（2）用水量增加時(shí)當(dāng)用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號(hào) y 減少，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，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。為此實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 25()(1)ukuk??? （45 ）1[())][2(2)]p DKekKee?????式()中， 表示調(diào)節(jié)器輸出的控制增益， 。PID 的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。（2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41。經(jīng)過上面的討論，將實(shí)際的機(jī)組切換的實(shí)際條件定為：增泵條件： f = 并且延時(shí)判別成立UP2dsfP???減泵條件： f = 并且延時(shí)判別成立LOWdSf?? 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。圖 35 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?？梢灶A(yù)見，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)組將一直這樣投入分切出崢再投入分再切出地循環(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。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。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。當(dāng)最后一臺(tái)水泵三號(hào)泵投入運(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。人機(jī)界面還可以對(duì)系廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。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。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)。(3)輔助小泵:它只運(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。由于 PLC 和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。當(dāng)用水量減少時(shí)，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即 U*小于 Uf 時(shí)，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設(shè)定值 U*相等。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 變頻恒壓控制原理恒壓供水控制原理圖如 31 所示：圖31 閉環(huán)恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，因此供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機(jī)來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個(gè)頻率和電壓可變的交流電壓。(3)變頻調(diào)速當(dāng)極對(duì)數(shù) p 不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電動(dòng)機(jī)的電源頻率 f1 成正比。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。兩種方法比較:由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)，如圖 24 所示。另外確定工況點(diǎn)一定要保證水泵裝置在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行。圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工作點(diǎn)確定水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù) [8]。流量的大小取決于用戶，是“用水流量” 。(4) 效率有效功率與軸功率的比值為效率 η （21 ）mnP=?水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。其中提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性 水泵的主要參數(shù)水泵主要工作參數(shù)有:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速以及壓力 [6]。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。(5) 各種液體恒壓控制系統(tǒng)。并且能夠累積每個(gè)站點(diǎn)的用電量，累積每臺(tái)泵的出水量，同時(shí)提供各種形式的打印報(bào)表，以便分析統(tǒng)計(jì)。而在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，以 PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。在恒壓供水技術(shù)之前出現(xiàn)了很多種供水方式，經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)各種傳統(tǒng)的供水方式的優(yōu)缺點(diǎn)如下 [2]:(l)重力供水水塔高位水箱供水方式屬于重力供水方式，缺點(diǎn)是基建投資大，占地面積廣，維修清洗不方便，需要定期清理，消毒，容易造成水源的二次污染，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大，控制柜內(nèi)觸點(diǎn)多，易燒壞，優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，短時(shí)維修或斷電可不停水。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動(dòng)地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。國(guó)內(nèi)的小城鎮(zhèn)的供水狀況比較落后，基本上還停留在氣壓罐、水塔供水方式。（2）可延長(zhǎng)電機(jī)和水泵壽命由于水泵在變頻下工作，其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。(2) 特殊種類工業(yè)需要恒壓控制的用水如冷卻水循環(huán)、熱力網(wǎng)水循環(huán)、鍋廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4爐補(bǔ)水等。由于具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供液供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的控制效果和社會(huì)效 [5]。4）設(shè)計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面:提高水位所需的能量。損失揚(yáng)程是全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差,即 :總揚(yáng)程= 實(shí)際揚(yáng)程+損失揚(yáng)程(3) 功率水泵功率有兩種:有效功率 PM 和軸功率 PN。(1) 揚(yáng)程特性在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚(yáng)程 H 隨用水量 Q 變化曲線H=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖 21 所示。實(shí)際上是表明當(dāng)閥門開度一定時(shí)，為了提供一定流量的水所需要的揚(yáng)程，因此這里的流量可以理解為“供水流量” ，用 Q 表示.所以管阻特性的函數(shù)關(guān)系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小(Q=Q 1)時(shí)，所H12 A1 A2Q1Q2Q廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8需揚(yáng)程也較小(H=H 1)，如點(diǎn) B1。從圖中可以看出，水泵在工作點(diǎn) A 點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的揚(yáng)程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到流量和能量的平衡，這個(gè)平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對(duì)的。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，實(shí)際運(yùn)行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚(yáng)程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，因此要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手，即工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [9][10]：(1) 閥門控制法圖 24 管網(wǎng)和泵運(yùn)行曲線閥門控制法屬于節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)