【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是其可擴(kuò)展性不高，接口固定，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性都一般，和別的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與通信，而且其帶負(fù)載的容量有限制，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很多的限制條件，不容易用于各種場(chǎng)合。 目前我國(guó)也有很多的公司在做恒壓變頻供水的工程，它們一般都會(huì)采用外國(guó)先進(jìn)的變頻器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)水管的管網(wǎng)壓力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)和循環(huán)控制多臺(tái)水泵平穩(wěn)運(yùn)行，它們采用可編程控制器 （ PLC） 、單片機(jī)和它們相應(yīng)的配套軟件予以實(shí)現(xiàn)，但是在很多方面都達(dá)不到用戶要求的指標(biāo)，比如系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、抗干擾性能、穩(wěn)定性能和開放性擴(kuò)展性都有一定的局限。深圳艾默生電氣公司和成都的希望集團(tuán)都推出過恒壓供水專用的變頻器，該變頻器不需要外接 PID調(diào)節(jié)器和 PLC就可以完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)利用，雖然不如丹麥丹佛斯公司的變頻器可以實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的循環(huán)切換，但是其有定時(shí)啟動(dòng)和停止、定時(shí)循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部集成了壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與邏輯控制功能。其缺點(diǎn)是帶負(fù)載容量低，而且操作復(fù)雜沒有數(shù)據(jù)傳輸通信功能，因此只能用于容量和控制要求比較低的場(chǎng)所供水。 就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究來說，還 有很大的發(fā)展空間。變頻調(diào)速技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、 DCS技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)兼具先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)會(huì)使變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制更具使用價(jià)值。因此，恒壓變頻供水系統(tǒng)的各方面技術(shù)還有待進(jìn)一步改善，在改善的過程中應(yīng)該注意與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，使其更適應(yīng)現(xiàn)在的實(shí)際需求。變頻調(diào)速系統(tǒng)中還應(yīng)該加入軟啟動(dòng)器，軟起動(dòng)是使電動(dòng)機(jī)的電壓逐漸從零逐漸的增加到額定電壓的過程，該過程使得對(duì)啟動(dòng)電流有了一定的控制，防止沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成損害，減輕了電機(jī)啟動(dòng)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的損傷，可以延長(zhǎng)電機(jī)壽命。軟啟動(dòng)器還有軟停車功能：電機(jī)的輸出電壓由 額定電壓在設(shè)定的軟停時(shí)間內(nèi)逐步降至零，停車過程完成，能夠有效的避免停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“水錘”現(xiàn)象。 設(shè)計(jì) 內(nèi)容及要求 本課題的設(shè)計(jì)應(yīng)先滿足工程技術(shù)要求及相應(yīng)的控制精度，其次需要考慮其系統(tǒng)性、綜合性以及可擴(kuò)展性。有鑒于此，本課題的主要任務(wù)包含以下幾個(gè)： (a) 設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)總體方案，滿足工程技術(shù)要求； (b) 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理圖、接線圖、布局圖等圖紙，使工程人員能夠從原理上理解設(shè)計(jì)思想，在施工上便于操作； (c) 參與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序，滿足控制要求，并盡可能使控制程序完善可靠，具有一定的可擴(kuò)展性； (d) 撰寫相關(guān)的系統(tǒng)說明書，便于工程人員閱 讀操作。 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 4 2 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的基本工作原理 變頻器隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，有了很多方面的進(jìn)步，無論是調(diào)速性能還是穩(wěn)定性，節(jié)能性都有了極大地提高。而變頻器是恒壓變頻供水系統(tǒng)的核心器件，所以系統(tǒng)性能的好壞主要看變頻器的性能。 ABB 的變頻器是現(xiàn)在國(guó)際上一個(gè)知名的品牌，其作用是控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的速度，并以其性能好、功能組合多樣、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)一直被人們看好。恒壓變頻供水系統(tǒng)與過去的供水方式相比最大的區(qū)別就是可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，可以根據(jù)運(yùn)行的反饋數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制 參數(shù)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。恒壓變頻供水占地面積小、投入資金低、環(huán)保節(jié)能強(qiáng)、系統(tǒng)維護(hù)便捷、自動(dòng)化程度高、維修周期長(zhǎng)等，這些優(yōu)點(diǎn)都是原來的供水方式無法媲美的。目前已廣泛的應(yīng)用于各種住宅小區(qū)和各種建筑供水中，其今后的發(fā)展趨勢(shì)是更加的智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，以到達(dá)未來城市建設(shè)智能化，網(wǎng)絡(luò)化和整體規(guī)劃的要求。在此系統(tǒng)中除了變頻器之外最重要的東西就是 CPU,它相當(dāng)于人的大腦，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制基本都得靠它完成。在這里可利用的 CPU有很多種，在下節(jié)中我會(huì)介紹他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及本設(shè)計(jì)中用到的 CPU。 恒壓控制是控制管 網(wǎng)的水壓保持恒定，使得不論用水量多高都保證水流量足夠大，滿足用水要求。要想維持一個(gè)物理量不變，就得使這個(gè)物理量與恒值進(jìn)行比較，求差后反饋給系統(tǒng)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。所以如果要控制水壓恒定，就要使管網(wǎng)水壓反饋值與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值的正負(fù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有非線性、大慣性的特點(diǎn)，所以應(yīng)該運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和 PID控制算法使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)差小、超調(diào)量小。水泵機(jī)組的工頻變頻切換由變頻器編程， PFC和 PID宏來控制；管網(wǎng)水壓由壓力變送器反饋給控制器；水泵電機(jī)的啟動(dòng)需要軟啟動(dòng)器配合保 證電機(jī)的壽命足夠長(zhǎng)。由于供水管道都比較長(zhǎng)，所以其是一個(gè)大時(shí)滯的系統(tǒng)，對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)有許多處理方式：可以加史密斯預(yù)估器（ PID控制器并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)）和運(yùn)用大林算法等。 本課題研究的對(duì)象 通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)多臺(tái)泵全開，供水量小時(shí)開一臺(tái)或兩臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，所有水泵配用一臺(tái)變頻器，變頻器根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過 PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的。這種方案可以有兩種實(shí)現(xiàn)方法：其一是采用 PLC程序控制加變頻器相位檢測(cè)切換控制方式，其二可以采用專用變頻器直接完成相位檢測(cè)切換和夜間泵變頻工作的方式。這樣可以是系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且可靠性增加。本方案就是采用 ABB 公司專為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載專用型 ACS510 系列變頻器，通過可編程控制器加繼電回路控制的方法實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)控制，同時(shí)達(dá)到泵的循環(huán)工作和夜間 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 節(jié)能自動(dòng)控制。 控制方式的選擇 變頻恒壓供水系統(tǒng)一般是由變頻器、控制單元、壓力變送器、水泵機(jī)組和低壓電器組成，但是對(duì)于不同的設(shè)計(jì)要求有幾種控制方式可以選擇，該系統(tǒng)的任務(wù)是利用控制單元使變頻器控制多臺(tái)水泵機(jī)組的循 環(huán)啟停，以完成管網(wǎng)壓力的恒定，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性 [3]。目前有幾種控制方式可以選擇： (1) 邏輯電子電路控制方式 該控制方式可以利用簡(jiǎn)單的電子元器件組成，投入資金較少，但是其穩(wěn)定性、變頻性能、控制精度都不高；水泵機(jī)組沒有軟啟動(dòng)裝置，工頻泵變頻泵切換時(shí)容易產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，一般采用一臺(tái)變頻泵其他都為工頻泵，頻繁的投切容易損壞系統(tǒng)各部分，維修調(diào)試都比較難。 (2) 單片機(jī)控制方式 這類控制方式比起邏輯電子電路控制方式的性能要好許多，但是由于單片機(jī)編程調(diào)試比較難，對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)條件需要的功能不同就 需要調(diào)整整個(gè)電路，所以應(yīng)用不靈活抗干擾能力也不高所以這類方式應(yīng)用也不廣泛 [4]。 (3) 帶 PID回路調(diào)節(jié)器或 PLC的控制方式 該控制方式一般由變頻器、可編程控制器、 PID 回路調(diào)節(jié)器、壓力變送器等組成。由于變頻器功能比較少所以這里只提供一個(gè)可變頻率的電源給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，來控制管網(wǎng)的水壓。壓力變送器用來采集管網(wǎng)水壓與設(shè)定值進(jìn)行比較然后傳送給可編程控制器經(jīng)過其內(nèi)部的計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給變頻器。這種方式是直接由可編程控制器內(nèi)部 PID控制程序來計(jì)算的，這樣就需要帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器 ，造價(jià)較高，如果采用模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要 DC/AC 轉(zhuǎn)換的裝置使得可編程控制器的數(shù)字量裝換為模擬量。所以這種方式有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。 (4) 供水專用變頻調(diào)速設(shè)備 由于傳統(tǒng)的變頻器對(duì)于供水方面的功能不完整，許多廠商公司生產(chǎn)了一系列的專供水泵電機(jī)，供水方面使用的變頻器，比如施耐德公司的的 Altivar 58 泵切換卡； ABB公司 ACS 400、ACS 5 ACS 600 等產(chǎn)品；華為公司的 TD 2100。這些產(chǎn)品都有一個(gè)共通點(diǎn)就是將 PID調(diào)節(jié)器和可編程控制器的功能綜合了一下，放入變頻器內(nèi)。這樣就省去了 PID調(diào)節(jié)器，節(jié)約了可編程控制器的容量，從而降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。而且變頻器內(nèi)部的對(duì) PID調(diào)節(jié)器有優(yōu)化算法，使得水壓的控制平穩(wěn)、可靠，而且在設(shè)置時(shí)可以規(guī)定濾波時(shí)間常數(shù)，保證反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性 [5]。 通過對(duì)這幾種方案的分析，本系統(tǒng)決定采用第四種控制方式，這種控制方案不僅投資價(jià)格合理而且控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性高、數(shù)據(jù)傳輸方便、控制精度高等特點(diǎn)，符合本次任務(wù)的需求。 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 6 系統(tǒng) 原理與 組成 系統(tǒng)的組成及原理圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由： 變頻器、可編程控制器、軟啟動(dòng)器、水泵機(jī)組、壓力變送器組成 [6]。組成圖可參看圖 21： 圖 21 系統(tǒng)組成圖 (1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由水泵機(jī)組構(gòu)成，水泵可以將水供入用戶管網(wǎng)，利用水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制管網(wǎng)的水壓。本系統(tǒng)有 6臺(tái) 55 kw 的水泵和一臺(tái) 22 kw 的水泵，根據(jù)管網(wǎng)的需求用量循環(huán)投入和切出水泵機(jī)組。使用循環(huán)啟動(dòng)方式，如果第一次超過工頻則將第一臺(tái)經(jīng)過延時(shí)接入電網(wǎng)再用變頻器控制第 2 臺(tái)水泵調(diào)節(jié)水壓，依次順序啟動(dòng) 6臺(tái)水泵；如果夜間用水量低可以用 22 kw 的水泵減少能耗。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：對(duì)于恒壓變頻供水系統(tǒng)，被檢測(cè)的信號(hào)有管網(wǎng)水壓信號(hào)、供水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。對(duì)于管網(wǎng)水壓信號(hào)，它是本控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)，如果沒有了它就不能形成完整的閉環(huán)控制，由壓力變送器檢測(cè)并送入 PLC 中，再由 PLC 發(fā)出控制信號(hào)給變頻器，變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制管網(wǎng)水壓達(dá)到期望值。供水池水位信號(hào)是用來判斷水泵是否可以抽到水的，如果水位過低就無法正常抽到水，這時(shí)可能導(dǎo)致水泵和電機(jī)的損壞，所以必須在水池中安裝液位傳感器，使系統(tǒng)保證安全正常的運(yùn)行；報(bào)警信號(hào)則是為了反映目前系統(tǒng)各部分工作是否正常，如 ：水泵空抽、電機(jī)過載、變頻器工作不正常、軟啟動(dòng)器不工作等。這些都是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)檢修。 (3) 控制 機(jī)構(gòu)：控制機(jī)構(gòu)一般都集中在控制柜中，主要包括 PLC、變頻器、軟啟動(dòng)器和其他電控設(shè)備?？刂茩C(jī)構(gòu)是恒壓變頻供水系統(tǒng)的心臟，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都要依靠這個(gè)機(jī)構(gòu)。 PLC對(duì)系統(tǒng)各部分傳輸來的信息進(jìn)行采集，然后分析從人機(jī)接口得來的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法的 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 運(yùn)算，得到控制方案。傳送指令給變頻器，并帶動(dòng)接觸器運(yùn)作對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行控制；變頻器是直接控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，接收到 PLC的控制信息，調(diào)節(jié)電源輸出頻率 改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。 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 50 Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，經(jīng)過延時(shí)將第一臺(tái)水泵電機(jī)直接軟啟動(dòng)接入電網(wǎng)即可，變頻器控制另一臺(tái)水泵電機(jī)，依次啟動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)完成循環(huán)；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 50 Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，直接軟啟動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)接入電網(wǎng)，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，本次設(shè)計(jì)選擇的是變頻循環(huán)式。 軟啟動(dòng)器作為該控制系統(tǒng)的一個(gè)不可或缺的部分是因?yàn)槠鋵?duì)于電機(jī)的啟、停都有平滑穩(wěn)定的作用，防止電機(jī)因?yàn)闆_擊而損壞，也可以防止“水錘效應(yīng)”。而且軟啟動(dòng)器還有許多保護(hù)功能，如過載保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)等。該系統(tǒng)還應(yīng)該有專門的報(bào)警信號(hào)，信號(hào)傳送給 PLC后其作出判斷和保護(hù)動(dòng)作，以免造成損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)通過壓力變送器測(cè)量管網(wǎng)水壓，得到 4～ 20 mA 的電信號(hào)，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到 PLC中，與設(shè)定值比較得到的差值通過 PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過，D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵供水流量，最終使供水管網(wǎng)上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)。 變頻控制 原理 當(dāng)該供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，閉合空氣開關(guān)，然后將手、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)控制上，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，啟動(dòng) PLC和變頻器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力需求設(shè)定水壓期望值然后與水壓實(shí)際值求差，得到偏差信號(hào)，由變頻器的 PID宏功能調(diào)節(jié)輸出頻率，然后根據(jù)設(shè)定好的啟動(dòng)時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速使水壓保持在水壓期望值的附近，實(shí)現(xiàn)恒壓控制的目的。當(dāng)變頻器運(yùn)行到達(dá)工頻時(shí)， PLC會(huì)根據(jù)管網(wǎng)壓力需求判斷是否需要啟動(dòng)其他水泵電機(jī)，如需啟動(dòng)則經(jīng)過延時(shí)將這臺(tái) 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 8 水泵切換為工頻工作，變頻器帶著下一臺(tái)水泵電機(jī)工作 [7]。 通過變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水循環(huán)切換工作描述： (1) 假設(shè)現(xiàn)在變頻器控制的是 1 號(hào)泵的電機(jī)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整泵的流通能力，而壓力檢測(cè)反映了當(dāng)前管路流量變化的情況，變頻器根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速保持水壓恒定。當(dāng)壓力值低于設(shè)定值且工作頻率也已達(dá)到工頻時(shí)，表明水量加大，需要增加泵來滿足壓力需求，這時(shí)變頻器自動(dòng)將 1號(hào)泵切換至工頻工作而變頻器由啟動(dòng) 2 號(hào)泵，依次類推直至 6 號(hào)泵。