【正文】 文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究內(nèi)容和研究方法； 2)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；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為(0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： Pf=γH1Q2102η （24） 當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量；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?；各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖2．4所示。 2)信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3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。這樣無“水錘”現(xiàn)象。所以，選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為水泵機(jī)組切換的時(shí)機(jī)是合理的，但要做以下考慮。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立有問題： 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切的誤操作。 變頻器的選型 要對(duì)系統(tǒng)所用的變頻器進(jìn)行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據(jù)所配電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。設(shè)定壓力實(shí)際壓力設(shè)定壓 力實(shí)際壓力增泵△Pd/2△Pd/2減泵 （上限頻率） （下限頻率） 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；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／2的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加。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。切換完成后，在打開電動(dòng)閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上啟動(dòng)并運(yùn)行，在開電動(dòng)閥。 3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下文有詳細(xì)的闡述)時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)M1切換至工頻電網(wǎng)供電后，M1恒速運(yùn)行，同時(shí)使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 綜上所述，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： 1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由變頻泵和附屬小泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；附屬小泵只運(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。確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點(diǎn)的用水需求，同時(shí)還需要結(jié)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(shù)要求。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫?，這是一個(gè)純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)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(zhuǎn)換、壓力檢測等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 4)減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)及其安全性討論 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，在本文中主要應(yīng)用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1)滯后性：供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量(如：溫度、流量、濃度等)一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性，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)。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固，有易于接線的端子排，帶有擴(kuò)展總線或通過總線連接器與CPU相連。目前編程器主要有以下三種類型：便攜式編程器(也叫簡易編程器)；圖形編程器；用于IBM—PC及其兼容機(jī)的編程器。這些模塊又分直流和交流、電壓和電流類型，每種類型又有不同的參數(shù)等級(jí)主要有數(shù)字量輸入／輸出模塊和模擬量輸入／輸出模塊，部件上都設(shè)有輸入接線端子排，為了濾除信號(hào)的噪聲和便于PLC內(nèi)部對(duì)信號(hào)的處理，這些模塊上都帶有濾波、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)鎖存電路。所謂系統(tǒng)程序是指控制和完成Pc機(jī)各種功能的程序，如控制器的監(jiān)控程序、基本指令和功能指令翻譯程序、系統(tǒng)診斷程序、通信管理程序等。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。在軟件方面，PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運(yùn)算等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。當(dāng)時(shí)，在機(jī)械工業(yè)部屬下建立了我國第一個(gè)電氣傳動(dòng)成套公司，即現(xiàn)在的天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所的前身。1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制P刪技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國人。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。國外在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方面特點(diǎn)為：市場需求量大；功率器件發(fā)展迅速；控制理論和微電子技術(shù)的支持。早期的可編程序控制器(Pfogrammable Logic Controller，PLC)，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I／O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。字處理器是CPU這個(gè)核心的核心，常由通用的8位、16位或32位微處理器擔(dān)任，位處理器也稱布爾處理機(jī)，如美國TI公司的TI一530等，它不僅使PLC增加了功能，提高了速度，也加強(qiáng)了PLC的保密性能。 3)輸入／輸出模塊：輸入／輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口。4)擴(kuò)展模塊：當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I／O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等?？紤]到PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，系統(tǒng)軟件應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般用戶不允許直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部操作。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。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(dòng)阻力的變化規(guī)律。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖2．3中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I／O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過Pc機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。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)。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用交頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇心們；本文采用前者。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到50Hz或52Hz時(shí)，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52Hz時(shí)是否超載。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OHZ。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。型號(hào)及參數(shù)見表3．1所示： Y系列臥式電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù)同步轉(zhuǎn)速1500r/min （4極） 50HZ型號(hào)功率（KW）電流（380V）A轉(zhuǎn)速（r/min）效率%（η）功率因素（cosφ）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 Tst/Tn堵轉(zhuǎn)電流/額定電流Ist/In最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩Tmax/TnY315L1416028914806．8Y280M4901480 Y系列電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行可靠、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要配置的選型 水泵機(jī)組的選型 根據(jù)第2章中所闡述的基于PLC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3．1所示：故障、狀態(tài)等量輸入報(bào)警、控制等量輸出上位機(jī)、組態(tài)等變頻器壓力、流量等傳感器人機(jī)界面軟啟動(dòng)、自耦變壓器水泵機(jī)組A/D模塊可編程控制器PLC通訊模塊 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括： 1)水泵機(jī)組、變頻器 2)PLC及擴(kuò)張模塊 3)壓力變送器及數(shù)顯儀 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。此信號(hào)來自在安裝于水源處的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。 （27） 式中Ql、HP1為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，QH2,P2為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。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。第2章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(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2．1所示。 7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從0到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。另外，一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在PLC機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是o．5伏和o．10伏兩種，．20