【文章內(nèi)容簡介】 22kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，對于我國現(xiàn)有的技術(shù)水平應(yīng)該在變頻調(diào)速及恒壓供水系統(tǒng)的性能方面有待于進一步研究改善，使其能夠被更好的應(yīng)用于我們的生活、生產(chǎn)實踐。 水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目標(biāo)，常用的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(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(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變。這種控制方法是通過改變水的動能來改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制，其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時可以通過增大變頻器輸出頻率來控制電機加速，用水量減小時通過減小變頻器輸出頻率來使電機減速。 水泵調(diào)速的原理就是通過改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。 變頻恒壓供水的特點分析變頻恒壓供水系統(tǒng)能適應(yīng)生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，與傳統(tǒng)供水方式相比，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點突出體現(xiàn)在以下幾個方面口：（1）高效節(jié)能恒壓供水技術(shù)因為采用變頻器改變電動機的供電頻率，從而達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對于閥門調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式來說，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應(yīng)。同時，由于變量泵工作在變頻電源下，其運行過程中的轉(zhuǎn)速是由外界供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約大量的電能，經(jīng)濟效益十分明顯。由于其節(jié)能效果明顯，所以系統(tǒng)投資成本可在短期內(nèi)收回，并能長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大的。（2）恒壓供水變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。（3）安全衛(wèi)生系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。（4）自動運行、管理簡便小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行。（5）延長設(shè)備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且各泵定時輪換控制功能自動定時輪換泵運行，保證各泵磨損，延長了機泵的使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。（6）占地少、投資回收期短小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積小，整個系統(tǒng)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或水池設(shè)備故障率極低等方面都實現(xiàn)了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短。而以供水壓力為主要控制對象的變頻供水控制系統(tǒng)則具有以下特性：（1）滯后性：供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如：溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。（2）非線性：用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。（3）多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)。而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。（4）時變性：在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。（5）容錯性：當(dāng)出現(xiàn)意外的情況，例如突然斷電或水泵、變頻器、軟啟動器等出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能根據(jù)泵、變頻器或軟啟動器的狀態(tài)、電網(wǎng)狀況及水源水位以及管網(wǎng)壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。第三章 基于變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要完成的主要功能系統(tǒng)運行方式分為手動、全自動兩種。這兩種方式可以由一個按鈕操作，自動方式和手動方式。在手動方式下，可以對控制水泵中的任意一臺進行啟動和關(guān)閉操作，該方式主要用于系統(tǒng)設(shè)計初期的測試，方便在任一時期的檢修，以及緊急情況下的水泵控制。而整個系統(tǒng)本身正常狀態(tài)下的運行主要采用全自動方式，使供水系統(tǒng)高度自動化，這也是系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)之一。在全自動方式下，按下啟動按鈕，系統(tǒng)就能自動賦初值，根據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速和運行臺數(shù)，確定每臺水泵電動機的具體工作狀態(tài)，使系統(tǒng)達到最優(yōu)配置。要對管網(wǎng)水壓進行實時數(shù)據(jù)采樣，信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送PLC，從而實現(xiàn)對管網(wǎng)壓力的閉環(huán)控制。采樣點選擇在水泵的出口管道處。變頻器應(yīng)該能夠?qū)λ秒妱訖C組進行變頻器過載、失速、過電流、過電壓、欠電壓、輸入缺相、電動機過載、變頻器過熱變頻器內(nèi)散熱板過熱及其它一些常規(guī)保護。變頻器只對當(dāng)前工作在變頻態(tài)的水泵電動機組負責(zé)。對變頻器的運行情況、水泵電動機組的轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)壓力都要進行監(jiān)控，對于危險情況要設(shè)置報警信號，并自動做出反應(yīng)。有友好的人機界面，要能夠完成人機交流，可以對系統(tǒng)的運行狀況進行監(jiān)控，可以通過監(jiān)控軟件改變初值、參數(shù)等。應(yīng)該做到系統(tǒng)無故障運行時，基本上可以做到無人自動恒壓變頻無級別調(diào)速運行。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制方案及選擇變頻恒壓系統(tǒng)主要由壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)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(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定、水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要進行運行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，一共有以下幾種方案可供選擇：（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(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)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(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。該方法雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但是壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求。在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)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(shù)據(jù)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(diào)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(shù)調(diào)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，現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差；變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，必須采取相應(yīng)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(lǐng)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(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力變送器這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其它的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換：通用性強，由于PLC產(chǎn)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(shè)計上，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，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此，該系統(tǒng)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(guān)。通過對以上幾種方案的分析和比較，可以看出“變頻器主電路+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力變送器”的控制方式更適合于實際應(yīng)用。該控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓。為了減少對水泵電動機組、管道所產(chǎn)生的水錘，水泵電動機組配置電動閥，開啟水泵后打開電動閥，當(dāng)水泵停止時先關(guān)電動閥后停機。為實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計算機和通信模塊。綜上所述，控制系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分，主要由PLC、變頻器、水泵電動機組、壓力變送器和上位監(jiān)控計算機組成。則變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖31所示：圖31 系統(tǒng)原理框圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成本設(shè)計的供水系統(tǒng)主要適合于小區(qū)的供水，即供水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總的來講包括兩個部分：一個是機械機構(gòu)部分；另一部分就是電氣控制系統(tǒng)。其中系統(tǒng)的機械部分主要是供水系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)，它構(gòu)成了一個立體的管道網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計相對簡單，其中設(shè)備、結(jié)構(gòu)組成都比較固定，是實現(xiàn)控制功能的前提和基礎(chǔ)，而電氣控制系統(tǒng)是整個恒壓供水系統(tǒng)的核心部分，它包括如下組成部分。從系統(tǒng)組成來講，恒壓供水系統(tǒng)可由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由一組水泵組成，用于將水供入用戶管網(wǎng)。（1）調(diào)速泵：由變頻調(diào)速器控制，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)水壓恒定。（2）恒速泵：水泵只運行在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。當(dāng)水泵采用循環(huán)控制方式時，M1，M2，M3既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，之所以這樣構(gòu)成水泵機組，是有以下幾個原因：1)用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵，使水泵選型容易，同時這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。3)以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運行可靠性。使系統(tǒng)在用水量很低時(如夜間)可以停止其他兩臺泵，用一臺泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音。在用水量不太大時，系統(tǒng)中不是所有的水泵都在運行，既可以提高水泵的運行壽命，也可以降低系統(tǒng)的功耗，以達到節(jié)能的目的。信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號：（1）水壓信號：它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，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(zhuǎn)換。另外為了加強系統(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(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。（2）液位信號：它反映水泵的進水水源是否充足。當(dāng)水源不足時，控制系統(tǒng)要啟動保護機制，以防止水泵抽空而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水源處的液位變送器。（3）報警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，例如水泵電機是否過載、變頻器是否有異常等。控制系統(tǒng)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(shè)備三個部分。（1）供水控制器：它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(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵)進行控制。（2）變頻器：它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)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：1)變頻循環(huán)式：變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵；如果當(dāng)這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍然不能達到用水要求，供水控制系統(tǒng)就先將變頻器從該水泵電機中脫出，并將其切換為工頻，然后去變頻拖動另一臺水泵電機。2)電控設(shè)備：它由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成，用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換以及就地/集中等工作。人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，顯示報警信息等。通訊接口通訊接口是整個系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其它的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；通過通訊接口，還可以將先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)中去，例如對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。報警裝置作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于要適用于不同的供水領(lǐng)域，為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)地運行，防止出現(xiàn)電機過載、電網(wǎng)電壓過大波動、供水水源中斷等故障，必須對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和啟動保護機制，以避免造成嚴重損失。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動三臺大功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行。系統(tǒng)開始運行時，通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力變送器檢測管道壓力，并把出口壓力變成0～5V或4～20mA的模擬信號，送入PLC的模擬量擴展模塊EM235作為實際壓力值。PLC接收到壓力信號之后與給定壓力信號進行比較。然后通過控制算法，計算出控制量由EM235輸出幅值為0～5V或0～10V的電壓信號給變頻器，變頻器依據(jù)輸入電壓