【文章內容簡介】 質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，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動 能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。 由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率 P 與管網的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比 ； 水泵的轉速 n 與出水流量 Q 成正比 ； 管網的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P 與轉速 n 三次方成 正 比，即 ： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數。 長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 11 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網及水泵的運行特性曲線 當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在 E 點，流量為 Q1，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 b3移到 b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從 H0上升到 H1，運行工況點從 E 點移到 F 點， 此時水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。 當用調速控制時，若采用恒壓 (H0)， 變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2， 工作點從 E 點移到 D 點。此時水泵輸出功率 正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以 當用閥門控制流量時，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被浪費掉 ，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。 所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著 。 變頻 恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 控制 方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有 壓力變送器、 變頻器、恒壓控制單元、水泵長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 12 機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的 任務是利用 恒 壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現管網水壓的恒 定 和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸 和監(jiān)控 。根據系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇 [8]： (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結構簡單，它將 PID 調節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要 求，在調試時， PID 調節(jié)參數尋優(yōu)困難，調節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。 (2) 通用變頻器 +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、參數調整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。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。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數據交換 ，通用性強； 由于 PLC 產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于 PLC 的抗 干長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 13 擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用 于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。 通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種 控制方 案 更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優(yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 組成 及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機 組管 網 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出 ，系統(tǒng)可分為 ： 執(zhí)行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為 ： (l) 執(zhí)行機構 ： 執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由 一臺 變頻泵和 兩臺工頻 泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 14 持管網的水壓恒定 ；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時） 的情況下 投入工作 。 (2) 信號檢測機構 ： 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括 管網水壓信號、水池水 位信號和報警信號。 管網 水壓 信號反映的是用戶管網的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果可以送給 PLC，作為數字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進水水源是否充足。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。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。 (3) 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。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構 (即水泵機組 )進行控制 ； 變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，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) 式即變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機 ； 變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 15 求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可 以選擇 [9]， 本 設計中采用 前 者 。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所 以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數，也可以是一個時間分段函數，在每一個時段內是一個常數。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水 壓力上 [10]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結 構框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網 壓 力P L C圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為 4—20mA 的電信號 ，此檢測信號是實現恒壓供水的關鍵參數 。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC的 A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較 ，將比較后的偏差值進行 PID運算，再將運算后的數字信號通過 D/A 轉換 模塊 轉換成模擬信號作為變頻長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 16 器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水 泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現變頻恒壓供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖 動變頻 泵 M1工作， 根據 壓力變送器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏 差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作在調速運行狀態(tài)。 (2) 當用水量增加水壓減小時， 壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變 頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終 水泵的轉速 達 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)，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細闡述 )時，在變頻 循環(huán) 式的控制方式下，系統(tǒng)將 在 PLC 的控制下自動投入 水 泵 M2(變速 運行 )， 同時 變頻泵 M1 做工頻運行， 系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條 件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換， 將另一臺工頻 泵 M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 (4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的 實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將長春工業(yè)大學人文信息學院 學士學位論文 17 工頻 泵 M2 關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換， 將另 一臺 工頻 泵 M3 關掉 。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當 變頻 泵己運行在上限頻率，此時管網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 變頻 泵和工頻泵都在運行且 變頻 泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶 動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0HZ，具體數值與