【正文】 ，即可投入使用?？傮w方案的確定是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)中最關(guān)鍵的部分，它的開發(fā)好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。如果相位差較大，會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)和變頻器雙方的電流沖擊，還會(huì)影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作，并損壞變頻器。變頻軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)力矩，故特別適合于需重載或滿載啟動(dòng)的大功率水泵電機(jī)。由此可見，由于定速泵容量設(shè)置過(guò)大， 調(diào)速泵水量下調(diào)幅度變得很小， 僅為ΔQ， 若此時(shí)供水量稍有減少， 系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機(jī)操作，使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。 變頻固定方式切換當(dāng)采用變頻固定方式時(shí)，僅將1水泵與變頻器相連。假設(shè)該恒壓供水系統(tǒng)由三個(gè)水泵構(gòu)成。 水泵運(yùn)行方式的選擇這里說(shuō)的多泵并聯(lián)變頻恒壓供水的工作方式是指以下兩種， 一是變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式， 二是變頻泵固定方式。其次是防止給水泵出現(xiàn)“大馬拉小車”的工況。在現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)中，采用一臺(tái)或多臺(tái)變頻調(diào)速泵給水的突出優(yōu)點(diǎn)是：⑴ 采用變頻調(diào)速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果。 軟啟動(dòng)節(jié)能由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(4~7)倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。管網(wǎng)裝置特性可以從閥門全開時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)，由下式求得： （215）式中，為阻力系數(shù)；為泵進(jìn)出口水位差。由于采用恒的控制特性，使整個(gè)調(diào)速運(yùn)行中，保持額定磁通，保持不變，從功率因數(shù)看，是最好的控制特性。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的等效電路，在忽略定子漏阻抗壓降的條件下，定子的相電壓與氣隙磁通和頻率之間的關(guān)系為 （23）式中，為定子繞組每相的有效匝數(shù)，當(dāng)電機(jī)確定后，為一常數(shù)。變頻調(diào)速時(shí)，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(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低，用水量小時(shí)，水壓升高。由水泵—管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有二種方法，第一種方法是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升，關(guān)小供水閥，流量下降。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。第二章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)如圖21所示。該系統(tǒng)可以用于深井泵恒壓供水系統(tǒng)、各類型的自來(lái)水廠、消防用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)，還可以廣泛應(yīng)用于化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。這無(wú)疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。氣壓罐式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它啟動(dòng)頻繁，而且由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容積僅占其總?cè)莘e的1/3～1/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣不僅增加了啟動(dòng)能耗，還將產(chǎn)生較大的噪聲和電信號(hào)的干擾，嚴(yán)重影響居民生活。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力超出系統(tǒng)所需壓力而造成能量的浪費(fèi)。它比水泵出口恒壓控制方式更能節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)設(shè)在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。對(duì)于高層建筑，還可分層設(shè)水箱。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景及研究意義眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面的技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻調(diào)速；可編程控制器；自動(dòng)控制；節(jié)能內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）Automatic control system of constant press water supply based on converter and PLCAbstractWith the developement of society,it demands higher and higher water supply quality,both in producing and living. However,one of the important guide lines of the water supply quality is offer the relatively steady water supply hydraulic , the paper closely bines actuality of water supply and designs a suit of constant pressure water supply automatic control system based on variable frequency speedregulating technology and PLC.The constant pressure water supply automatic control system is made up of PLC,transducer,pump assembling unit,pressure sensor,industrial control puter and system used a transducer to make four electromotors starting,running,and timing. The three highpower electromotors and one lowpower electromotors are circulated running.In the system, water pump’s start amp。為此，本論文緊密結(jié)合當(dāng)前供水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)。其中，三臺(tái)大電機(jī)和一臺(tái)小電機(jī)采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。PLC。在這種供水方式中，水泵從蓄水池中抽水加壓后直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用水網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時(shí)間比、開停頻率等有關(guān)，供水壓力比較穩(wěn)定。這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開停。⑴ 水泵出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但是由于最不利點(diǎn)一般距離泵房較遠(yuǎn)，信號(hào)傳遞過(guò)程在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。而且其變頻調(diào)速式水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，又降低了啟動(dòng)能耗，進(jìn)一步節(jié)能。更主要的是由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了氣壓罐中由于氣水接觸、隔膜與水接觸而可能造成的水質(zhì)二次污染，保證了用水水質(zhì)的安全可靠。對(duì)于水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)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(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。20 世紀(jì) 70 年代，電力電子器件開發(fā)了電力晶體管(GTR)和門極關(guān)斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)控制方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來(lái)高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。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(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(QV)。一般在水源離用水場(chǎng)所較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，需要管道的輸送。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，產(chǎn)生的水壓越大，才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高的樓層。在三、四十年代，電機(jī)調(diào)速理論和技術(shù)已在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究和應(yīng)用，如通過(guò)改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)、利用發(fā)電機(jī)改變交流電源的頻率值、在轉(zhuǎn)子電路中加入調(diào)速變阻器或磁性放大器等方法對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載的需要來(lái)決定，在不同的轉(zhuǎn)速下，不同的負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的，調(diào)速方法和控制特性應(yīng)適應(yīng)負(fù)載的要求。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速之差將不變，轉(zhuǎn)矩特性（穩(wěn)定運(yùn)行段）在運(yùn)行方式下，當(dāng)不同時(shí)，它為一族平行的曲線。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。根據(jù)水泵運(yùn)行的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為: ；； (219)式中，、為變速前的流量、揚(yáng)程、功率；、為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知，在該系統(tǒng)中只需要其中一臺(tái)泵是變頻泵，其余全是工頻泵，便可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。這種準(zhǔn)變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。理論分析及實(shí)際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。在變頻器停止運(yùn)行的條件下， 在其輸出端進(jìn)行切換，在切換好后再重新啟動(dòng)變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。具體系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力要求時(shí)，變頻器的控制信號(hào)被PLC檢測(cè)，通過(guò)PLC控制泵組的切換。特別是通用變頻器和異動(dòng)電機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制，其具有固定的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，可以體現(xiàn)不同的功能，收到相應(yīng)的效益。如果綜合水泵運(yùn)行效率考慮，調(diào)速泵流量具有向上、下限相等的調(diào)節(jié)范圍(上限為100%，下限為40%)，顯然無(wú)論在定速泵退出或投入時(shí)， 調(diào)速泵的流量取中間值 70%最合適， 即定速泵流量為調(diào)速泵的30%。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。國(guó)內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面，大多采用延時(shí)、降壓?jiǎn)?dòng)的控制方式，但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動(dòng)過(guò)大。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運(yùn)行）是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。并且對(duì)水泵的運(yùn)行方式做出分析，以及在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)重視的關(guān)鍵問(wèn)題做出總結(jié)，最后列舉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。用戶用水量大時(shí)，管網(wǎng)壓力下降，變頻器頻率就升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，反之頻率下降，水泵減速運(yùn)行，從而維持恒壓供水[4]。 模糊控制法模糊控制是處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)的有效方法之一，已成為供水行業(yè)研究的熱點(diǎn)。系統(tǒng)的過(guò)程建模和控制的設(shè)計(jì)都是自動(dòng)進(jìn)行，每個(gè)采樣周期都更新一次。若用水量大，則管網(wǎng)水壓達(dá)不到設(shè)定值，經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，將1號(hào)泵由變頻運(yùn)行切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)2號(hào)泵變頻，通過(guò)壓力變送器的壓力信號(hào)反饋控制轉(zhuǎn)速，使得轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)跟隨供水壓力的變化。在以上的控制流程中，水泵的啟動(dòng)和運(yùn)行都需考慮延時(shí)的問(wèn)題，一方面防止發(fā)生切換振蕩，另一方面保證水泵的順序投入和切除。 恒壓供水系統(tǒng)總體概況介紹在本系統(tǒng)中，要求設(shè)計(jì)的是一個(gè)泵站的變頻調(diào)速系統(tǒng)，使得水泵轉(zhuǎn)速跟隨用水量的變化而變化，實(shí)現(xiàn)變頻、恒壓、無(wú)級(jí)調(diào)速的供水系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、充分利用設(shè)備、高可靠性、高自動(dòng)化程度的目的。⑵ 鎖相環(huán)同步切換控制鎖相環(huán)同步切換控制單元由工頻電源及其轉(zhuǎn)換電路、鎖相環(huán)同步控制器、變頻器、變頻器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成。由于PID控制方法簡(jiǎn)單、可靠性高，因此被廣泛采用。而整個(gè)系統(tǒng)本身正常狀態(tài)下的運(yùn)行主要采用全自動(dòng)方式，使供水系統(tǒng)高度自動(dòng)化，這也是系統(tǒng)開發(fā)的目的之一。⑷ 變頻器運(yùn)行時(shí)，要對(duì)變頻器當(dāng)前控制的水泵的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作流程的簡(jiǎn)單介紹 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系介紹根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)定和機(jī)械結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用PLC和變頻器變頻調(diào)速兩層控制的結(jié)構(gòu)。 PLC、變頻器和工控機(jī)的連接 工作流程簡(jiǎn)介系統(tǒng)開始運(yùn)行之前，應(yīng)先把管網(wǎng)壓力參數(shù)設(shè)定值SP賦給PLC、變頻器。如果有其它報(bào)警信號(hào)(如水位不足)，則轉(zhuǎn)入報(bào)警處理程序。在變頻器啟動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用控制臺(tái)面板或控制柜的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子FWD (REV)來(lái)操作，不得以主電路的通斷來(lái)進(jìn)行?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問(wèn)題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)，所以電路的互鎖是指電機(jī)之間運(yùn)行的互鎖。⑶消防信號(hào)：它用于在系統(tǒng)得到消防報(bào)警后，供水系統(tǒng)保持消防壓力供水。當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺(tái)恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。該模塊有4個(gè)模擬輸入（AIW），1個(gè)模擬輸出（AQW）信號(hào)通道。高性能和多功能的理想結(jié)合，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制，具有PG反饋更高性能的控制系統(tǒng)，新方式在線自整定系統(tǒng)，能使電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)大大減小，方便使用的鍵盤面板，適應(yīng)了各種環(huán)境的結(jié)構(gòu)。 本章小節(jié)本章介紹了基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。PID控制和模糊控制是目前使用的兩種主要方法。