【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 小流量供水的時(shí)間約占全天的 2/3，這個(gè)時(shí)段消耗的電能約 120kwh，如果采取特別的節(jié)能措施，起碼節(jié)約 100kwh 的電能，一年下來就是 36000kwh，按每 1kwh 電能 元計(jì)算，每年可節(jié)約 萬元?？煽啃浴⑹褂脡勖?、整體造價(jià)是用戶關(guān)心的問題，也是生產(chǎn)廠家關(guān)注的問題。恒壓供水控制器、變頻器的質(zhì)量好壞決定了設(shè)備的可靠性和使用壽命。我公司主要采用國(guó)際知名品牌變頻器和單片計(jì)算機(jī)為產(chǎn)品配套，生產(chǎn)中嚴(yán)格按照ISO9001:2022 規(guī)范進(jìn)行檢驗(yàn)，整套設(shè)備主要部件使用壽命一般在 10 年以上.。對(duì)于郊區(qū)或農(nóng)村用水量變化大的用戶，變頻調(diào)速恒壓供水方式更加優(yōu)越。綜上所述，此方案具備可行性。共 44 頁 第 11 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下圖為電控系統(tǒng)的主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為 M1，M2，M3。接觸器 KM1，KM3，KM5分別控制電機(jī) M1，M2，M3 的工頻運(yùn)行。接觸器 KM2，KM4，KM6 分別控制電機(jī) M1，M2，M3 的變頻運(yùn)行。FR1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)的過載保護(hù)的熱繼電器。 QF1，QF2，QF3，QF4 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)和變頻器的低壓斷路器。QF 為總斷路器。主電路圖 變頻器的工作原理實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及控制器（MCUDSP）等部分組成。共 44 頁 第 12 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 整流部分，如圖所示 D1 D2 D3 D4 D5 D6，這六個(gè)二極管把三相整流成直流電，小功率變頻器一般直接使用整流二極管整流，某些品牌如西門子，ABB 等歐洲品牌的變頻器，55KW 或以上變頻器則采用半控或全控三相橋式整流；直流部分，由 C1 C2 R1 R2 組成直流環(huán)節(jié)，主要作用是濾波，使電壓保持穩(wěn)定，以及承擔(dān)整流與逆變部分能量轉(zhuǎn)換；逆變部分，有 VR1 VR2 VR3 VR4 VR5 VR6 組成逆變電路，這六個(gè)逆變開關(guān)管有規(guī)律的關(guān)斷與導(dǎo)通，把直流電變成頻率與電壓可調(diào)的交流電。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經(jīng)電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制其電壓幅值；通過改變調(diào)制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時(shí)進(jìn)行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調(diào)速對(duì) U/f 協(xié)調(diào)控制的要求。 變頻器的發(fā)展變頻器的發(fā)展今的變頻器有突顯的數(shù)值化，智能化特征。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)字化信息的依賴越來越強(qiáng)。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，同時(shí)也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制模式。單片機(jī)已經(jīng)在交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。例如由 Intel 公司 1983 年開發(fā)生產(chǎn)的 MCS 96系列是目前性能較高的單片機(jī)系列之一，適用于高速、高精度的工業(yè)控制。其高檔型：8196KB、8196KC、8196MC 等在通用開環(huán)交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用較多。而且由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益發(fā)展深化。擴(kuò)展卡爾曼濾波、FFT、狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等先進(jìn)理論均廣泛應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。DSP 芯片被廣泛的應(yīng)用。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其較高的性能價(jià)格比成為了全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的首選。最近 TI 公司推出的 MCS320F240X 系列產(chǎn)品更將價(jià)格降低到了單片機(jī)的水平。 在交流調(diào)速的全數(shù)字化的過程當(dāng)中，各種總線網(wǎng)絡(luò)也扮演了相當(dāng)重要的角色。STD 總線、工業(yè) PC 總線、現(xiàn)場(chǎng)總線以及 CAN 總線等在交流調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域起到了重要的作共 44 頁 第 13 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊用。 電機(jī)運(yùn)行的控制 三臺(tái)電機(jī)分別為 M1，M2，M3。接觸器 KM1，KM3，KM5 分別控制電機(jī) M1，M2，M3 的工頻運(yùn)行。接觸器 KM2，KM4，KM6 分別控制電機(jī) M1，M2，M3 的變頻運(yùn)行。每一臺(tái)電機(jī)設(shè)低壓斷路器和熱繼電器作為保護(hù)。手動(dòng)狀態(tài)下每個(gè)電機(jī)設(shè)置一啟動(dòng)按鈕，一停機(jī)按鈕自由控制電動(dòng)機(jī)的起停，每一臺(tái)電機(jī)工頻變頻之間有互鎖。在自動(dòng)狀態(tài)下電機(jī)之間工頻變頻之間的切換由壓力信號(hào)來控制。當(dāng)頻率達(dá)到上線，壓力達(dá)到下限時(shí)，用壓力信號(hào)來控制變頻轉(zhuǎn)工頻，同時(shí)啟動(dòng)下一臺(tái)泵的變頻，在壓力達(dá)到上限時(shí)，控制停機(jī)，若三臺(tái)泵都已啟動(dòng)則先停M1 的工頻，如果用水量還是較小，壓力再次達(dá)到上限時(shí)停 M2 的工頻，只留下 M3 變頻運(yùn)行。若只有 M1，M2 運(yùn)行，則先停 M1，留 M2 變頻運(yùn)行。當(dāng)下次有壓力下限信號(hào)來的時(shí)候 M3 變頻轉(zhuǎn)工頻，M1 工頻再次啟動(dòng)，然后再次運(yùn)行如前。若是 M3 工頻，M1 工頻，M2 變頻的狀態(tài)，停機(jī)的時(shí)候是先停 3 號(hào)泵，再停 1 號(hào)泵，留 2 號(hào)泵變頻運(yùn)行。同理若 M2,M3 工頻，M1 變頻，則先停 2 號(hào)泵，再停 3 號(hào)泵。如此往復(fù)循環(huán)起泵停泵。 工頻變頻切換與變頻器工作的時(shí)序的關(guān)系為了避免變頻器在沒有負(fù)載時(shí)依然有輸出，在變頻和工頻的切換過程中，變頻器可以在適合的時(shí)候關(guān)閉，所用變頻器有一個(gè)端子由繼電器的常開觸點(diǎn)控制，比如從一號(hào)機(jī)的變頻傳工頻再切換二號(hào)機(jī)的變頻時(shí)，要求先斷開接觸器常閉觸點(diǎn)，關(guān)閉變頻器輸出，然后通過 KM1 斷開一號(hào)電機(jī)的變頻，接通 KM2 啟動(dòng)工頻，再接通二號(hào)機(jī)的變頻，最后才閉合變頻器上的常閉觸點(diǎn)再次啟動(dòng)變頻器，實(shí)現(xiàn)了無擾切換。 PID 調(diào)節(jié)器的應(yīng)用和原理（1）調(diào)節(jié)器的原理調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值、根據(jù)給定值與實(shí)測(cè)值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號(hào)等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一般是模擬信號(hào)，420mA 變化的電流信號(hào)或 010V 間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。（2）PID 的控制規(guī)律比例（P）控制：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)共 44 頁 第 14 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steadystate error） 。 　積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steadystate Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)” 。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 　微分（D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。（3）PID 算法的數(shù)學(xué)模型PID 控制的原理基于下面的算式:其中: M(t): PID 回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)。 Kc: PID 回路的增益。e: PID 回路的偏差(給定值與過程變量之差) 。 Minitial:PID 回路輸出的初始值。 為了能讓數(shù)字計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式,連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計(jì)算輸出值，數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下: 其中:Mn: 在第 n 采樣時(shí)刻 PID 回路輸出的計(jì)算值。 Kc: PID 回路增益。 en: 在第 n 采樣時(shí)刻的偏差值。 en1: 在第 n1 采樣時(shí)刻的偏差值(偏差前項(xiàng))。 KI: 積分項(xiàng)的比例常數(shù)。 Minitial: PID 回路輸出的初值。 共 44 頁 第 15 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊KD: 微分項(xiàng)的比例常數(shù)。 由于計(jì)算機(jī)從第一次采樣開始，每一個(gè)偏差采樣值必須計(jì)算一次輸出值，因此只需要保存偏差前值和積分項(xiàng)前值。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性可以化簡(jiǎn)以上算式為: 其中:Mn: 在第 n 采樣時(shí)刻 PID 回路輸出的計(jì)算值。 Kc: PID 回路增益。 en: 在第 n 采樣時(shí)刻的偏差值。 en1: 在第 n1 采樣時(shí)刻的偏差值(偏差前項(xiàng))。KI: 積分項(xiàng)的比例常數(shù)。 MX: 積分項(xiàng)前值。KD: 微分項(xiàng)的比例常數(shù)。(2) PID 算法改進(jìn)CPU 實(shí)際使用以上簡(jiǎn)化算式的改進(jìn)形式計(jì)算 PID 輸出，這個(gè)改進(jìn)型算式為:Mn=MPn+MIn+MDn其中:Mn: 第 n 采樣時(shí)刻的計(jì)算值。:第 n 采樣時(shí)刻的比例項(xiàng)值。 :第 n 采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)值。 :第 n 采樣時(shí)刻的微分項(xiàng)值。Kc: 增益。 SPn: 第 n 采樣時(shí)刻的給定值。 PVn: 第 n 采樣時(shí)刻的過程變量值。 PVn1: 第 n1 采樣時(shí)刻的過程變量值。 Ts: 采樣時(shí)間間隔。 TD: 微分時(shí)間。 TI: 積分時(shí)間。 MX: 第 n1 采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)(積分項(xiàng)前值)。 根據(jù)反饋原理：要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)（4）PID 控制的優(yōu)點(diǎn)①原理簡(jiǎn)單，使用方便 ②適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工，熱工，冶金，煉油以及造紙，建材等各種生產(chǎn)部門，共 44 頁 第 16 頁┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊即使目前最新式的過程控制計(jì)算機(jī)，其基本的控制功能也仍然是 PID 控制③魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控對(duì)象特性的變化不大敏感。用變頻器、調(diào)節(jié)器、繼電器、接觸器等組成閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以保正水泵出口壓力恒定，原理如圖所示 事先給定一個(gè)壓力值 H0，H0 按用戶的水壓要求來設(shè)定，壓力值可調(diào)，水泵啟動(dòng)后，壓力傳感器測(cè)量水泵出口處的壓力值 H，由于用水量大供水相對(duì)不足時(shí)壓力會(huì)小，通過比較器，所以當(dāng) H 低于 H0 時(shí)，控制器向變頻器發(fā)送提高水泵轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。反之，因?yàn)橛盟啃?，供水相?duì)過剩時(shí)壓力大，如果 H 大于 H0 時(shí)， 控制器則發(fā)送降低水泵轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。電動(dòng)機(jī) n=60(1s)f/p,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率成正比，變頻調(diào)速器則一次調(diào)節(jié)水泵工作電源的頻率，轉(zhuǎn)變水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到了以給定壓力值為參數(shù)的閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)。變頻器采用 VVVF，即變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，因?yàn)樵谡{(diào)節(jié) f 時(shí)，為了保持調(diào)速時(shí)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩不變，需維持電機(jī)的磁通量恒定。這樣就要求定子供電電壓也要相應(yīng)的調(diào)節(jié)。變頻供水模式通