【正文】 系統(tǒng)采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能效果明顯。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。初始化過程通過 M8002 產(chǎn)生的初始化脈沖來完成。從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時(shí)將輔助泵直接投入工頻運(yùn)行即可。在 1 號(hào)主水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過 PID 調(diào)節(jié)器調(diào)整 1主水泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，維持水壓。（2） 控制柜和水泵現(xiàn)場(chǎng)距離不要太遠(yuǎn)，尤其是遠(yuǎn)傳壓力表至變頻器的 420mA 電流信號(hào)和至 PLC 的壓力上、下限開關(guān)量信號(hào)的傳輸電纜要盡可能短，而且要盡量遠(yuǎn)離那些會(huì)22產(chǎn)生電磁干擾的裝置。其主要參數(shù)及性能介紹如下。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四臺(tái)泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。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) QF2 的通斷來進(jìn)行。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長期運(yùn)行費(fèi)用少；其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來配置變頻器容量，減少投資。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用 于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。通過水泵電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，可減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此，選擇好的起動(dòng)方式和速度調(diào)節(jié)方法，可以減小或徹底消除水錘效應(yīng)，提高供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。 （23）21=Q221()HN321=()P式中 Ql、HP1 為變速前的流量、揚(yáng)程、功率， 、H P 2 為變速后的流量、揚(yáng)程、Q功率。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 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?，表明水泵在某一轉(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。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性直接影響到城區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也影響到城區(qū)居民的正常工作和生活。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。(2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠．這類變頻器電機(jī)功率在 135kW320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 200V 或 380V。容錯(cuò)性 完善的保護(hù)功能當(dāng)出現(xiàn)意外的情況時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)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)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。此時(shí)水泵輸出功率用圖 22 表示為(0，Q 2,D, )圍2n 0H成的矩形面積，可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（ ,D,F, ）圍成的矩形面積，其值為：01H （22）0210212()==FDQHP?????所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有 功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷102gh（ ）關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 E增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱?。QFQFQF3 、QFQFQF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣開關(guān)，F(xiàn)RFR FR3 、FR4 為工頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)過載保護(hù)。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。普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。 系統(tǒng)可靠性措施作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還需考慮加強(qiáng)抗干擾措施，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性 [9]。234 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 水泵工頻/變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換供水狀態(tài)是指供水時(shí)按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)及運(yùn)行狀況。設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極限頻率時(shí)的信號(hào)為 X1，水壓達(dá)到設(shè)定壓力下限值時(shí)的欠壓信號(hào)為 X2，水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)的超壓信號(hào)為 X3。27(5)繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用：而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。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 51。32結(jié)論本文對(duì)于城市供水要求，設(shè)計(jì)了一套由 PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)等主要設(shè)備構(gòu)成的變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、自動(dòng)可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、管理方便的恒壓供水。34致謝本論文的工作是在我的指導(dǎo)老師王金梅老師的悉心指導(dǎo)下完成的，王金梅嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) ， 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)，ITI易引起系統(tǒng)振蕩。PLC 置輸出繼電器 Y1 為 0，同時(shí)置 Y7= 1。盡管國內(nèi)外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達(dá)方式基本類似，主要有四種形式：梯形圖，指令表，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級(jí)語言。當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器通過 PID 調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。接地電阻應(yīng)小于 100Ω，接地線須盡可能短和粗，并且應(yīng)連接于專用接地極或公用接地極上，不要使用變頻器、PLC 外殼或側(cè)板上的螺釘作為接地端。③ I/0 特性8 個(gè)可設(shè)定的多功能開關(guān)量輸入口，給操作者極大的靈活性；3 路可設(shè)定的開路集電極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達(dá)、頻率值檢測(cè)、過載、運(yùn)等多種提示；設(shè)有模擬電流/ 電壓輸入端子，實(shí)現(xiàn)外部頻率設(shè)定。FR FR FRFR4 為四臺(tái)泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。在電動(dòng)機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計(jì)三相電源信號(hào)指示。12圖 32 供水系統(tǒng)圖1—水位上限檢測(cè) 2—水位下限檢測(cè) 3—閘閥 4—止回閥 5—壓力檢測(cè)控制方式多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的 PLC 通過編程來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Q（）間的關(guān)系。很多專用供水變頻器集成了 PLC或 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。目前，國內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動(dòng)控制技術(shù)不少，其特點(diǎn)是變頻技術(shù)與其他自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合。通過對(duì)變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。 Variable Velocity Variab le frequency。變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。非線性用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 和供水系統(tǒng)的供水流量 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，Uc也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。9三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為: (32)39。11 供水系統(tǒng)的方案確定 供水系統(tǒng)的流量類型根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 33 所示。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實(shí)現(xiàn) [6]。Ik—電流波形的修正系數(shù)，對(duì) PWM 方式，取 ～ ；—變頻器的額定容量（kVA） ；CNP18—變頻器的額定電流（A） 。表 32 變頻器接線及功能設(shè)定變頻器端子 現(xiàn)場(chǎng)器件與接線端子 功能代碼 參數(shù)預(yù)置 注釋FWD PLC的Y0端子 啟動(dòng)/停止變頻運(yùn)行CM PLC的COMX1 PLC的Y16 E01 7 PLC 的 Y16 動(dòng)作，自由停車Y2 PLC的X1 E21 1 頻率極限信號(hào)輸出30A PLC的X5 變頻器故障總報(bào)警信號(hào)30C PLC的COM 接公共端F03 50 最高輸出頻率（Hz）F15 上限頻率（Hz）F16 30 下限頻率（Hz）F23 10 起動(dòng)頻率F17 100 頻率設(shè)定信號(hào)增益 PLC 的選型PLC 的選型主要從 PLC 的輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、輸入/ 輸出接口模塊類型等方20面來選擇 PLC 型號(hào)。如果電源是電纜引入，則應(yīng)做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設(shè)備 [10]。224本系統(tǒng)采用了三臺(tái)主水泵和一臺(tái)輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運(yùn)行，共有 10 種有效供水狀態(tài)，見表 41表 41 系統(tǒng)供水狀態(tài)用水量 狀態(tài)符號(hào) 供水狀態(tài)小 S0 輔助泵運(yùn)行，3停機(jī)S20 1變頻運(yùn)行，3停機(jī)S21 2變頻運(yùn)行，3停機(jī)較小S22 3變頻運(yùn)行，2停機(jī)S23 1工頻運(yùn)行，2變頻運(yùn)行，3停機(jī)S24 2工頻運(yùn)行，3變頻運(yùn)行，1停機(jī)較大S25 3工頻運(yùn)行，1變頻運(yùn)行，2停機(jī)S26 2工頻運(yùn)行，3變頻運(yùn)行S27 3工頻運(yùn)行，1變頻運(yùn)行大S28 1工頻運(yùn)行，2變頻運(yùn)行各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖 41：25圖 41 供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程。(3)梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開，反之為“0”態(tài)。這段程序設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮動(dòng)作的先后關(guān)系及互鎖保護(hù)。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [14]:（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能力 =用水需求 ,目標(biāo)壓力信號(hào)和壓力反饋信號(hào) y 相等,偏差 e = y r, PIDGQU輸出的控制增量 Δu =0,變頻器輸出頻率不變,水泵轉(zhuǎn)速不變,處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在撰寫論文期間，范彥輝、張少華、吳彥斌等同學(xué)對(duì)我論文中的軟件設(shè)計(jì)與研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)感激之情。DT 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析恒壓供水的目的就是要保證供水能力 適應(yīng)用水 需求變化。具體起動(dòng)哪一臺(tái)主泵，進(jìn)入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個(gè)狀態(tài)，按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作。每一個(gè)邏輯行起始于左母線然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。當(dāng)系統(tǒng)處于單臺(tái)主水泵變頻供水狀態(tài)時(shí)，若用水量減少，變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，水壓仍過高時(shí)，延時(shí) 5 分鐘后，關(guān)閉變頻器運(yùn)行，啟動(dòng)輔助泵維持供水。（6） 在電氣設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮電氣設(shè)備之間的互鎖關(guān)系。（2） 上限頻率：實(shí)際預(yù)置需略低于額定頻率 50Hz。壓力表測(cè)量范圍 0～1MP，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4～20mA 電流信號(hào)，送給變頻器作為 PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。在控制電路中多處對(duì)各主