【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電壓。當(dāng)用水量達(dá)到 Qmax 時(shí)，水泵全速運(yùn)行，出口閥門(mén)全開(kāi)，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，水泵的特性曲線 n0和用水管路曲線 A0 交匯于 b點(diǎn)，此時(shí)水泵的出口壓力為 H＇，末端服務(wù)壓力剛好為 H0。當(dāng)用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過(guò)程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。 10 水泵變頻調(diào)速節(jié)電原理圖 1．水泵全速運(yùn)行，靠控制 水泵出水口閥門(mén) 來(lái)控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b點(diǎn)上滑到 c點(diǎn)，而水管所需要的揚(yáng)程將由 b點(diǎn)下滑到 d 點(diǎn)，這樣， c 點(diǎn)和 d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為水泵 全速運(yùn)行的能量浪費(fèi)。 2． 水泵變速運(yùn)行，靠泵出口壓力恒定來(lái)控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax 下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)改變其特性。單由于采用泵恒定出口壓力恒定工作方式工作，所以其工況點(diǎn)始終在 H＇上平移。在用水量達(dá)到 Q1 時(shí)，相應(yīng)的水泵特性曲線為 nx，而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點(diǎn) e 即為此 時(shí)工況點(diǎn)。這樣，在水量減少到 Q1 時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)最不利點(diǎn)水壓升高到 H1， H1＞ H0，則 h1為水泵的浪費(fèi)能量。 3 水泵變速運(yùn)行，靠管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定來(lái)控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax 減少到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)?n1，其工況點(diǎn)為 d點(diǎn)，正好落在管路特性曲線 A0 上，這樣可使水泵工作點(diǎn)始終沿 A0 滑動(dòng)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒(méi)有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓供水相比，其能耗降低了 h1。 通過(guò)比較三種方案，我們可以知道水泵的節(jié)水不僅與水泵的運(yùn)行方式有關(guān)，還和水管水壓的采集地 點(diǎn)有關(guān)。由上面的比較，我們可以清楚的了解到水泵變速運(yùn)行， 靠管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定來(lái)控制的方式是最節(jié)能的供水方式。 11 供水系統(tǒng)中的 PID 控制 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(chēng) PID 控制，又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制 問(wèn)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(lái)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(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)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 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。 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)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。 （ 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(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。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(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。 （ 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(guò)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(shuō)，在控制器中僅引入 “ 比例 ” 項(xiàng)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 12 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(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 在本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)當(dāng)中， PID 技術(shù)主要是通過(guò) PLC的 PID 處理模塊來(lái)完成，所計(jì)算的對(duì)象主要是變頻器的工作頻率，根據(jù)這些采樣所得進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而控制變頻器餓輸出頻率。 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件 選擇 水泵 的選擇 選泵的依據(jù)： 根據(jù) 工程所需的水量和水壓 及其變化規(guī)律 。 選泵的原則要求：在滿足最不利的工 況的條件下，考慮各種工況，盡可能的節(jié)約投資減少能耗。從技術(shù)上對(duì)流量 Q、揚(yáng)程 H進(jìn)行合理的計(jì)算，對(duì)水泵臺(tái)數(shù)和型號(hào)進(jìn)行選定、滿足客戶的水量和 水壓的要求。從經(jīng)濟(jì)和管理上對(duì)水泵臺(tái)數(shù)和工作方式進(jìn)行選定。 此外，根據(jù) 建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 500152020 增壓設(shè)備和水房 選擇生活給水系統(tǒng)加壓水泵的時(shí)候，應(yīng)遵守下列規(guī)定： Q～ H特性曲線，應(yīng)是隨流量的增大，揚(yáng)程逐漸下降的曲線。 ，水泵應(yīng)在高效 的 區(qū) 內(nèi)運(yùn)行。 ，備用泵的供水能力不應(yīng)小于最大一臺(tái)運(yùn)行水泵的供水能力。水泵應(yīng)自動(dòng)切換交替運(yùn)行。 綜上所述，本系統(tǒng)采用三臺(tái)相同規(guī)格的水泵，其中一臺(tái)是備用水泵 。 根據(jù) 建筑給水排水設(shè)計(jì) 規(guī)范 GB 500152020 各種住宅參數(shù)如 表 1 所示 表 1 各種住宅參數(shù) 住宅類(lèi)別 衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn) 用水定額（ L/人 D 小時(shí)變化系數(shù) 普通住宅Ⅰ 大便器、洗滌盆 85— 150 — 普通住宅Ⅱ 大便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機(jī)、熱水器和淋浴設(shè)施 130—— 300 — 13 普通住宅Ⅲ 大便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機(jī)、集中熱水供應(yīng)和淋浴設(shè)施 180— 320 — 別墅 大便器、洗臉盆、洗滌盆、洗衣機(jī)、灑水栓，集中熱水供應(yīng)和淋浴設(shè)施 等等 200— 350 — 按照 2020 戶小區(qū)計(jì)算，其中普通住宅Ⅰ 600 戶，普通住宅Ⅱ 600戶，普通住宅Ⅲ 600 戶，別墅 200 戶。每戶按照 人計(jì)算。 普通住宅Ⅰ 每人日最高用水 150 L/人 d，時(shí)變系數(shù) 取 最高 日最大小時(shí) 用水量 （ *600**） /24= m3 /h 普通住宅Ⅱ 每人日最高用水 300 L/人 d，時(shí)變系數(shù)取 最高日最大小時(shí)用水量（ *600**） /24= m3 /h 普通住宅Ⅲ 每人日最高用水 320L/人 d，時(shí)變系數(shù)取 最高日最大 小時(shí)用水量（ *600**） /24= m3 /h 別墅 每人日最高用水 350L/人 d，時(shí)變系數(shù)取 最高日最大小時(shí)用水量（ *600**） /24= m3 /h 整個(gè)小區(qū)的最高日最大小時(shí)用水量為 +++= /h 由于系統(tǒng)采用 2用 1備方案，每臺(tái)電機(jī)的余量為 20% 所以 Qh=（ 2*）=。 假設(shè) 小區(qū)給水泵站的管路總的長(zhǎng)度為 L=3000m，吸水井最低水位與最不利點(diǎn)地 形高差 HST=1m，自由水壓 =25m，在最大流量時(shí)從泵站至最不利點(diǎn)的管路水頭損失 ∑ h=，安全水頭 H 安全 =，泵站內(nèi)部水頭損失 h 泵站 =2m， 水泵站的揚(yáng)程 H/m=HST+Hc+∑ h+h 泵站 +H 安全 =1+25++2+= 根據(jù)清水泵的參數(shù)，選擇 IS125100200B，該清水泵的具體參數(shù)如表 2所示 ： 表 2 IS125100200B 的參數(shù) 型號(hào) 轉(zhuǎn)速 流量 揚(yáng)程 效率 電機(jī)功率 14 r/min m3/h m % kW IS125100200B 2900 174 38 77 30 變頻器的選擇 在 采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速 系統(tǒng)中， 當(dāng) 異步電動(dòng)機(jī)確定后，通常 可以通過(guò) 異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇變頻器，或者 也可以 根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流 的 最大 值來(lái)選擇變頻器。 此外， 變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法 還與運(yùn)行方式 有關(guān) 。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行 過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來(lái)選擇。變頻器的運(yùn)行一般有以下幾種方式。 1變頻器容量的計(jì)算 由于變頻器傳給電動(dòng)機(jī)的 電流 是脈沖電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大 ，因此選擇 變頻器 的容量 要 留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊４藭r(shí)，變頻器應(yīng)同時(shí)滿足以下三個(gè)條件： CN ()cosφMKPP KVA? (1) CNI ( )MKI A? (2) 式中： PM、 cosφ 、 UM、 IM 分別為電動(dòng)機(jī) 輸入 功率、 功率因數(shù) (取 )、電壓 (V)、電流 (A)。 K：電流波形的修正系數(shù) (PWM 方式取 ～ ) PCN：變頻器的額定容量 (KVA) ICN：變頻器的額定電流 (A) 式中 IM 如按電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流來(lái)選擇變頻器時(shí)，變頻器的容量可以適當(dāng)縮小。 根據(jù)式 (1) CN ()cosφMKPP KVA? 得 :PCN≥ *30/=42(KVA) 根據(jù)式 (2) ICN≥ KIM (A)得 : ICN≥ *=(A) 選擇 三菱的變頻器 15 PLC 的選擇 PLC 的基本組成 從廣義上說(shuō)， PLC 是 一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，只不過(guò)比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語(yǔ)言。所以 PLC與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)十分相似，也具有中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、電源等。 1中央處理器單元（ Central Processing Unit， CPU） 中央處理器單元是 PLC 的核心部分，它包括微處理器和控制接口電路。微處理器是 PLC 的運(yùn)算和控制中心，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。它的運(yùn)算是按照系統(tǒng)程序所賦予的任務(wù)進(jìn)行的。其主要任務(wù)有：控制從編程器輸入的用 戶程序和數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)；用掃描的方式通過(guò)輸入部件接收現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入映像寄存器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中；診斷電源、 PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語(yǔ)法錯(cuò)誤等； PLC 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，經(jīng)過(guò)命令解釋后按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、邏輯運(yùn)算或數(shù)字運(yùn)算等；根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)由輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出、制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。 PLC常用的微處理器主要有通用微處理器、單片機(jī)、位片式微處理器。一般來(lái)說(shuō)，小型 PLC 大多采用 8位微處理器或單片機(jī)作為 CPU，如 ZA80A， 8085， 8031 等，具有價(jià)格低，普及通用性好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于中型 PLC，大多采用 16 位微處理器或單片機(jī)作為 CPU，如Intel8086， Intel196 系列單片機(jī)，具有集成度高，運(yùn)行能力快，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于大型 PLC，大多數(shù)采用高速位片式微處理器，它具有高靈敏性，速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)。 2存儲(chǔ)器（ memory） PLC 系統(tǒng)中的存儲(chǔ)器配有系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。 1 系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于存放 PLC 生產(chǎn)廠商編寫(xiě)的系統(tǒng)程序，并固化在 PROM 或 EPROM存貯器中，用戶不可訪問(wèn)和更改。系統(tǒng)程序相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算 機(jī)的操作系統(tǒng)，它關(guān)系到 PLC 的性能。系統(tǒng)程序包括系統(tǒng)監(jiān)視程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序模塊、系統(tǒng)調(diào)用管理等程序以及各種系統(tǒng)參數(shù)等。 2用戶程序寄存器 16 用戶程序寄存器可分為三部分：用戶程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)區(qū)。用戶程序區(qū)用于存儲(chǔ)用戶經(jīng)編程器輸入的程序。為了調(diào)試和修改方便，總是先把用戶程序存儲(chǔ)到隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中，經(jīng)過(guò)運(yùn)行考核，修改完善，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后。再把它固化到 EPROM 中，代替 RAM 使用。數(shù)據(jù)區(qū)用于存放 PLC 在運(yùn)行過(guò)程中所用的和生成的各種工作數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)區(qū)包括輸入、輸出數(shù)據(jù)映像寄存區(qū)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的預(yù)置值 和當(dāng)前值的數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)區(qū)主要存放 CPU的組態(tài)數(shù)據(jù)，例如，輸入輸出組態(tài)、設(shè)置輸入濾波、脈沖捕捉、輸出表分配置、定義存儲(chǔ)區(qū)保持范圍、模擬電位器設(shè)置、高速計(jì)數(shù)器配置、高速脈沖輸出配置、通信組態(tài)等。 3輸入輸出單元（ Input/Output Unit） 輸入、輸出單元是可編程序控制器的 CPU 與現(xiàn)場(chǎng)輸入、輸出裝置或其他外部設(shè)備之間的連接接口部件。輸入單元將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入單元接口電路的轉(zhuǎn)換，變換為中央處理器能接收和識(shí)別的信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行運(yùn)算；輸出單元?jiǎng)t將中央處理器輸出的低壓信號(hào)變換為控制器件所能接受 的電壓、電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)電磁閥、電磁開(kāi)關(guān)等。所有的輸入、輸出單元均帶有光耦合電路，其目的是把 PLC 與外界隔離開(kāi)來(lái)，以提高 PLC 的抗干擾能力。通常， PLC 的輸入單元有：直流，交流和交直流輸入單元； PLC 的輸出單元有：晶體管輸出方式、晶