【正文】 原則來(lái)進(jìn)行整定。（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)。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(guò) PLC 內(nèi)部的軟繼電器來(lái)作互鎖。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。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(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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。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(guò)程，討論了 PID參數(shù)的調(diào)節(jié)方法。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%。因此，可根據(jù)壓力的變化，來(lái)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。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。 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。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。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。當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)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(guò)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。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的液位傳感器。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖供水控制器（ P L C ）變頻器電控設(shè)備液位傳感器1 號(hào)泵2 號(hào)泵3 號(hào)泵輔助泵壓力傳感器清水池圖 32 系統(tǒng)控制方框圖廣東石油化工學(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)16圖 33 系統(tǒng)組成電氣原理圖從上面的原理圖和框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由泵組、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。如圖 所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實(shí)現(xiàn) n 的變化，從而達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的目的。整流電路 中間電路逆變電路控制電路M3 ~外部接線端子控制面板交流電源RST圖 26 交流變頻調(diào)速器的基本原理下面簡(jiǎn)單介紹一下變頻器的工作原理:變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理變頻供水系統(tǒng)是通過(guò)變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵供水來(lái)改變水泵的實(shí)時(shí)供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量，它和閥門(mén)開(kāi)度有關(guān)。實(shí)際揚(yáng)程是通過(guò)水泵實(shí)際提高的水位所需的能量。3）研究 PDI 控制器的設(shè)計(jì)原理及方法。變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常的廣泛，其廣泛的應(yīng)用如下 [4]:(1) 高層建筑、城鄉(xiāng)供水小區(qū)、企事業(yè)生活用水?，F(xiàn)代化水廠除了中心調(diào)度室和化驗(yàn)室以外都可以做到無(wú)人值班。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動(dòng)技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。當(dāng)用水量很小時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間不再開(kāi)泵。企業(yè)內(nèi)部之間以及與外部交換信息的需求不斷擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的管理要求不斷提高，這種要求已不局限于通常意義上的對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的監(jiān)視和控制，同時(shí)還要求把現(xiàn)場(chǎng)信息和管理信息結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故 第一章 緒論 3障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等信息的綜合處理，形成一個(gè)意義更廣泛的綜合管理系統(tǒng)，亦稱為“管控一體化” 。 變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢(shì)(1)變頻恒壓供水目前正向集成化，維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展在國(guó)外專(zhuān)門(mén)針對(duì)供水的變頻器集成化越來(lái)越高，很多專(zhuān)用變頻器集成了 PLC和 PID，甚至將壓力變送器也融入變頻組件，同時(shí)維護(hù)操作也越來(lái)越簡(jiǎn)單，部分新品的變頻供水只需簡(jiǎn)單設(shè)定壓力值就可正常運(yùn)行，控制軟件和其他參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定，或利用傳感器自動(dòng)獲取完畢。(1) 流量 Q水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。(5) 轉(zhuǎn)速 n 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 7轉(zhuǎn)速 n 是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)取決于水泵性能管路性能以及所需實(shí)際揚(yáng)程。泵的初始工作點(diǎn)在 A 點(diǎn)，水泵提供的揚(yáng)程、流量恰好與管路所需得揚(yáng)程、流量相等。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為: （22）106fn=p其中 n0是異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f 1是異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率，p 為異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID 調(diào)節(jié)器等。總之，根據(jù)反饋控制原理，最終達(dá)到的平衡狀態(tài)使實(shí)際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因 :]19[(1)用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。(2)變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。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。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會(huì)使輸出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)降低。如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力大△P d /2 的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加。圖 41 PID 控制系統(tǒng)原理框圖圖中 u(t)PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號(hào) y、偏差 e，控制增量 Δu 均處于變化之中，其變化過(guò)程如圖 42 中的 tl～t3 段，其中 t2～ t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。H22（增益 P） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；H23（積分時(shí)間 I） ，在不發(fā)生振蕩條件下減小其值；H24（微分時(shí)間 D） ，在不發(fā)生振蕩條件下增大其值；10%0%PID輸 出最 高頻 率 正 動(dòng) 作 反 動(dòng) 作變 頻 器 輸 出 頻 率廣東石油化工學(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)28用示波器監(jiān)視壓力表輸出電壓波形，根據(jù)波形情況做參數(shù)調(diào)整。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 51 所示?？刂齐娐分羞€考慮了電機(jī)和閥門(mén)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)和閥門(mén)的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門(mén)的工作狀態(tài)。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)較少，PLC 采用德國(guó) SIEMENS 公司S7－ 200 型。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。為了保護(hù) PLC 設(shè)備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出端RST變 頻 器UVW一 號(hào) 二 號(hào) 泵 三 號(hào) 泵 輔 助 泵FR1FR2FR3FR4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)32口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門(mén)的動(dòng)作。水 壓 P0 d調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t調(diào) 整 后 調(diào) 整 前水 壓 P t水 壓 P tac b水 壓 P調(diào) 整 前調(diào) 整 后調(diào) 整 前調(diào) 整 后 t000 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 29 本章小結(jié)PID調(diào)節(jié)可以使供水系統(tǒng)快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。其關(guān)系為: 壓力目標(biāo)值= （管道允許壓力／壓力表量程）100%。當(dāng)供水能力 QG 和用水需求 QU 之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調(diào)節(jié) 23第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過(guò)相同的討論方法也能夠得到類(lèi)似的結(jié)論。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到 0HZ。開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行滿足小水泵運(yùn)行條件實(shí)際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實(shí)際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報(bào)警輸出執(zhí)行輔助控制執(zhí)行升壓控制N oY e sY e sN oY e s N oN o Y e s壓力設(shè)定報(bào)警信號(hào)有效Y e sN o圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說(shuō)明如下:系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵一號(hào)泵(可以是二號(hào)泵，也可以是三號(hào)泵 ，這里以一號(hào)泵為例) ，通過(guò)恒 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號(hào)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號(hào)泵工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)”的模式 [13]。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見(jiàn)圖 26 所示。 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點(diǎn)調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對(duì)于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點(diǎn)如圖 所示，理想運(yùn)行特性曲線為直線 H*ABC。 水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述。水泵總揚(yáng)程包括把水上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)而執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。加氯加礬、沉淀池、濾池及泵房、變電所也同樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)管理，構(gòu)成完整的 DCS 系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)和泵類(lèi)負(fù)載約占我國(guó)總耗電量的 80%，這主要是由于我國(guó)供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵的效率大多不足 60%，存在著很大的能源浪費(fèi) [1]，因此運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計(jì)可靠性高，運(yùn)行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。(2)壓力供水氣壓罐供水方式屬于壓力供水，具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動(dòng)電流大，觸點(diǎn)易燒，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。在國(guó)外,一個(gè) 10x10，m3/d 的水廠只需 3~5人管理。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過(guò)去變頻供水較少涉及高壓變頻系統(tǒng)，這也是系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，高一低一高型的高壓變頻系統(tǒng)，串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)目前已在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問(wèn)題己逐步得到解決。以耐/s( 米 3/秒)、m3/h(米 3/小時(shí) )、七/:(千克/秒)、t/:(噸/ 秒)等表示。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。