【正文】 電機增減主程序流程圖（見圖64）。經(jīng)過第2章對系統(tǒng)方案的分析和確定，再結合上述的系統(tǒng)硬件的選型，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和PLC作為主控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)。其控制示意圖如圖54所示，主要技術數(shù)據(jù)如表52所示。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。即使如此，在引入I作用后，kc應比單純P作用時減小10％左右。例如，變更了變送器的量程以后，調節(jié)器的kc應該成比例調整。偏差小時，P動作的作用減小。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結論。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到0Hz。 2）當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計算機和通信模塊。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求確定供水系統(tǒng)總體設計方案的基本依據(jù)是設計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點的用水需求，同時還需要結合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術要求。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。轉速（n）：水泵葉輪的轉動速度根據(jù)水泵理論，在圖31中， （31）其中，：真空表讀數(shù)（公斤/厘米） ：壓力表讀數(shù)（公斤/厘米） ：水的單位容積重量 ：水泵出水口測量點與進水口測量點位置差造成的附加揚程 ：水泵出水口與進水口的動能增量轉化的揚程由于水泵在送水的過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真字，所以在進水口的真空值為0。當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在E點，流量為Q，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從，移到，揚程特性曲線（圖22）不變。通常由鼠籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的（具體原理將在下一章闡述）。本設計的目標是通過變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，達到相關工藝的標準要求。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。PLC在小型化、大型化、大容量、強功能等方而有了質的飛躍。傳統(tǒng)的定（恒）速水泵供水系統(tǒng)是指水泵在額定轉速下為系統(tǒng)提供一定水量的供水系統(tǒng)這種傳統(tǒng)而簡單的給水方式，無反饋信號和壓力控制。我國泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質量上存在的一些問題等等原因，致使在技術水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。l 水泵出口變壓控制水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設定值不只是一個。供水壓力比較穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能住夜間崩水低谷時段停止運行。l 恒速泵+氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內壓力來控制泵的開、停。變頻調速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式；氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高?？梢娝谜{速的節(jié)電潛力很大，經(jīng)濟效益很高。變頻調速給水系統(tǒng)是由作為核心部件的變頻調速器以及壓力傳感器、控制器、泵和管路組成的給水系統(tǒng)。這類設備雖然說是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高。采用變頻調節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時時間相應延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。閥門控制法是通過調節(jié)閥f門開啟度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起，在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為“裝置”，在控制系統(tǒng)的設計中，真正對系統(tǒng)的分析和設計有價值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。 變頻恒壓供水系統(tǒng)模型 變頻恒壓控制的理論模型圖32變頻恒壓控制原理變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。l 控制機構：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)）、變頻器和電控設備三個部分。在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當調速水泵和工頻運行水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻運行水泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。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行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。根據(jù)這個特點，在判別條件中加入延時的判斷就顯得尤為必要了。PID調節(jié)器的傳遞函數(shù)是： （44）當上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例（P）作用，只包含第二項時，稱為積分（I）作用：但只包含第三項的單純微分（D）作用是不采用的，因為它不能起到使被控變量接近設定值的效果，只包含第一、二項的是PI作用：只包含第一、三項的是PD作用：列時包含這三項的是PID作用。目前離散PID控制算法主要有兩類，第一類叫做位置式算法，即對42式進行差分后直接給出u(k)，第二類叫做增量算法，給出： （45）位置算法如下： （46）上式可寫成： （47）增量算法如下： （48）上面的各式中：e(k)：第k次采樣時的誤差值； e(k1)：第k1次采樣時的誤差值；：積分系數(shù)； ：微分系數(shù)；T：采樣周期； ：比例系數(shù) 為方便編程，將(48)整理為： （49） （410） （411） （412）（3）離散PID控制特點 把離散的PID算法與模擬的PID算法相比較，它具有如下特點： 1）P，I，D三個作用是獨立的，可以分別整定，沒有調節(jié)器參數(shù)間的關聯(lián)問題，不需要考慮干擾系數(shù)。由這一點出發(fā)，可從兩條途徑進行現(xiàn)場湊試：l 先用單純的P作用，選出合適的k值，作為基礎，然后適當引入TI和Td，TI和Td值進行挑選。5變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計根據(jù)第2章中所闡述的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖51所示：由以上系統(tǒng)電氣總框圖（圖51）可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括：水泵機組、異步電動機、變頻器、PLC及擴展模塊、壓力傳感器、軟啟動器等。節(jié)省了設備的維護費用。SKL型低噪音生活給水泵的型號意義及工作范圍如圖53。S7200系列PLC主要有六種擴展單元，它本身沒有CPU，只能與基本單元相連接使用，用于擴展I/O點數(shù)。流程框圖（見圖61）。本系統(tǒng)具有以下的特點：（1）采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設備PLC和內置PID調節(jié)模塊的變頻器作為主要控制設備，在全流量范圍內利用變頻泵的連續(xù)調節(jié)和工頻泵的分級調節(jié)相結合，確保恒壓供水；（2）系統(tǒng)具有完備的故障處理能力，可通過自動工頻運行、遠程手動控制和現(xiàn)場手動控制等方式確保供水，具有故障實時的現(xiàn)場報警和遠程電話自動報警功能，具有故障電機鎖定功能；（3）系統(tǒng)采取變頻調速方式實現(xiàn)恒壓供水，節(jié)能效果明顯；（4）用了PID調節(jié)方式，水壓波動小，響應快。在系統(tǒng)運行過程中要及時進行故障檢測，防止設備的損壞和意外發(fā)生；當出現(xiàn)故障時，要在觸摸屏上及時進行報警輸出，方便工作人員確認和維修，有利于系統(tǒng)恢復正常工作。S7200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒、無雜質不揮發(fā)、弱腐蝕介質，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統(tǒng)、消防給水等。電機硬啟動對電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。（3）存在一定的動態(tài)超調。經(jīng)驗上常取TI，左右，因此，如有的估計值，TI和Td值就不難定出了。 （2）離散PID控制算法Pm控制算法在用計算機、單片機、PLC等作為控制裝置進行直接數(shù)字控制（DDC）時，列各個被控制變量的處理在時間上是離散進行的。2）外節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題：實際供水壓力超調的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。待實際壓力再次低于設定壓力后，重復上述過程。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。 由于用水呈低流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。l 頻器+單片機（包括變頻控制、調節(jié)器控制）+人機界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調整方便，具有較高的性能價格比。由于用戶的用水量是始終在變化的，雖然在時段上具有一定的統(tǒng)計規(guī)律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每一個時刻它都是一個隨機變化的值。確定供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎，是確定控制算法的依據(jù)。調速方法，它被廣泛地應用于對水泵（風機）電機的調速。出于在閥門開啟度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q之間的關系。由于起動緩慢，相應地延長了許多零部件，特別是密封件、軸承的壽命。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器（丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球血大核心供應商之一）后，隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。變頻調速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用。若按90％為水泵機組用電，則水泵的總用電量約計60億千瓦時。在小區(qū)供水中，而且由于調速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質二次污染，保證了飲用水水質可靠。l 給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處，使系統(tǒng)在運行過程中保持最不利點的壓力恒定。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質。在恒壓供水技術出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式，以下就逐一分析。而且在使用過程中，如采該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。這種控制方式其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式。由此可見變頻調速供水方式比氣出罐供水方式將節(jié)省占地面積。這一方面是出于我國居民多，用水量大，造成用電量大；另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控制方式不夠科學合理。用水量增大時，系統(tǒng)壓力則降低，易造成系統(tǒng)高位供水點斷