【文章內(nèi)容簡介】 功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關(guān)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。 根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H，功率 P與轉(zhuǎn)速 N之間關(guān)系為 : Q2/Q1=N2/N1； H2/H1=（ N2/N1） 2； P2/P1=（ N2/N1） 2 （ 25） 式中， Q H P1為變速前的流量、揚程、功率， Q H P2為變速后的流 9 量、揚程、功率。由公式 ( 25)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)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)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步 電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水。 因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的 [17]。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為 : S=1(n/n1) （ 26） 異步電機(jī)的同步速度為 : n1=60f/p （ 27） 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : n= 60f(1S)/p （ 28） 其中 :n1為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速； n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； f是異步電機(jī)的定子電源頻率； p為異步電機(jī)的極對數(shù)。 從上式可知，當(dāng)電機(jī)電極對數(shù) p不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、與定子電源頻率 f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，從高速到低速，都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速只有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲 美。 變頻調(diào)速可用普通的異步電機(jī)，異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、堅固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠，適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。特別是近年來出現(xiàn)的高性能、高精度的變頻器，變頻調(diào)速完全可以達(dá)到直流調(diào)速一樣的性能。從設(shè)備投資來看，變頻調(diào)速系統(tǒng)與同容量的直流調(diào)速系統(tǒng)可節(jié)省投入的 20%左右。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用十對水泵 (風(fēng)機(jī) )電機(jī)的調(diào)速。 10 由于本設(shè)計的供水系統(tǒng)要適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水，在此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，主要由 PLC、變頻調(diào)速器、軟啟動器、壓力變送器、水位傳感器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外還包括 空氣開關(guān)、斷路器、接觸器 和中間繼電器等系統(tǒng)保護(hù)電器，實現(xiàn)對變頻器、電機(jī)和 PLC的有效保護(hù)，以及對電機(jī)的切換控制。 PLC和變頻器作為系統(tǒng)控制的核心，根據(jù)給水母管壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，自動控制給水泵的投人臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。其中控制參量的 PID算法可消除控制參量的靜態(tài)誤差、突變、滯后等現(xiàn)象，縮短系統(tǒng)穩(wěn)定的時間。 我們以三臺水泵組成的供 水系統(tǒng)為例 ，其原理框圖如圖 31所示。 圖 31 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理圖 Fig31 Principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities 從 31系統(tǒng)原理圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)， 當(dāng)水泵采用循 環(huán)的控制方式時， P1， P2， P3既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固？ 具體是什么信號，上位機(jī)的作用 具體是什么信號 11 定的控制方式時， PI, P2， P3中只有一臺可以調(diào)速泵，其余兩臺為恒速泵。？ 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，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(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(hù)控制，以防止水泵因空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器。 （ 3）報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。 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(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制。 （ 2）變頻器 :它是對水泵進(jìn)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(jī)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 : a、變頻循環(huán)式 :變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)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(jī)。 b、變頻固定式 :變頻器拖動某一臺水 泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)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。 （ 3）電控設(shè)備：它是由一組接觸器、保護(hù)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 /自動切換及就地 /集中等工作。 人機(jī)界面 人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。通過人機(jī)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(jī) 12 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(jī)界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進(jìn)行監(jiān)示，對報警進(jìn)行顯示。（觸模屏） 通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 。同時通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)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。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)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(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)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(jìn)行監(jiān)測，由 PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。 系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能 : 全自動運行 合上自動開關(guān)后， 1泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從 OHz上升，同時 PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較， 將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器 ，如壓力不夠，則頻率上升，直到 50Hz, 1水泵由變頻切換為工頻，同時對 2水泵進(jìn)行變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推；如用水量減小 (壓力過大 )，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的水 泵先切除。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī) :待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運行，然后按自動運行方式啟動 1泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運行。變頻自動控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能， 系統(tǒng)自動完成對多臺水泵軟起動 、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。 手動運行 當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，三臺泵可分別以手動控制方式工頻運行。 停止 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。 采用“自動切換”和“先啟先?！痹瓌t “自動切換”是指當(dāng)一臺單獨運行水泵或者有兩臺同時運行的水泵，運 行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間時自動換泵運行?！跋葐⑾韧！笔侵改囊慌_先 13 啟動的水泵在壓力過大時也先被切除，這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運行時間接近，防止有的泵運行時間過長，而有的水泵卻長時間不用而銹死，從而延長了設(shè)備的使用壽命。 平穩(wěn)切換，恒壓控制 生活供水時，系統(tǒng)低恒壓值運行，消防供水時，系統(tǒng)高恒壓值運行。遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號 經(jīng) PLC的擴(kuò)展模塊 PID運算送給變頻器？ ，并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運行的水泵全速運行，還未達(dá)到給定壓力時，變頻運行的水泵被切換到工頻運行，變頻 器將啟動另一臺泵 (即采用軟啟動 )。 完善的各種保護(hù)、報警功能 （ 1）對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。 （ 2）當(dāng)水泵的功率較大時，為防止直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器來啟動水泵。 （ 3）運行的水泵在斷開電源后，利用其運行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流 . （ 4）電動機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運行時，電動機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時，電動機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機(jī)的電流可能超過額定電流，導(dǎo)致電動機(jī)過熱。因此電動 機(jī)的熱保護(hù)是必須的。 （ 5）具有缺水保護(hù)功能。當(dāng)水泵工作在自動狀態(tài)，為防止當(dāng)水池沒水時水泵空載運行，燒壞水泵電機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計一個缺水保護(hù)電路。當(dāng)水池缺水時，保護(hù)電路中繼電器常開觸點斷開，切斷控制電路電源，從而保護(hù)系統(tǒng)。 （ 6）在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過 3小時，則要切換下一臺泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。 系統(tǒng)工作原理 市網(wǎng)子來水 用高低水位控制器 EQ來控制注水閥 YV1，自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動往水箱注水。水池的高 /低水位信號也直接送 給 PLC，作為水位報警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離較小。生活和消防用水共用三臺水泵，平時電磁閥 YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺水泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運行，維持水位 低？ 恒壓值。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時，電磁閥 YV2得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺水泵給消防用水使用， 14 并維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，三臺水泵再改為生活供水使用。 生活供水系統(tǒng)工作原理 安裝于生活供水管道上的 壓力變送器將管網(wǎng)壓力檢測值轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號送入變頻器的？ ， 一般情況下由上位 PC機(jī)給定生活管 網(wǎng)壓力 ，然后與壓力傳感器所測管網(wǎng)實際壓力進(jìn)行比較，將差值送人變頻器內(nèi)置 PID進(jìn)行運算，產(chǎn)生一個偏差信號去控制變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使管網(wǎng)壓力恒定。當(dāng)用水量不大時，一臺水泵 (1水泵 )在變頻器的控制下穩(wěn)定運行。當(dāng)用水量增大時，管網(wǎng)壓力下降，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到下限值時由變頻器輸出一個下限信號給 PLC?，PLC自動將第二臺水泵（ 2）投入變頻運行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第一臺水泵（ 1水泵）切換為工頻運行，兩臺水泵運行以加大管網(wǎng)的供水量保持壓力穩(wěn)定。若兩臺水泵運行仍不能滿足用水量的需要時，則 PLC自動將 第三臺水泵（ 3水泵）投入變頻運行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第二臺水泵（ 2水泵）切換為工頻運行，三臺水泵運行以進(jìn)一步加大管網(wǎng)的供水量保持壓力穩(wěn)定。當(dāng)用水量減少時，管網(wǎng)壓力上升，當(dāng)管網(wǎng)壓力上升到上限值時由變頻器輸出一個上限信號給 PLC， PLC自動將第一臺水泵（ 1水泵）停止運行。當(dāng)用水量進(jìn)一步減少時， PLC自動將第二臺水泵（ 2水泵）停止運行，此時只剩下第三臺水泵（ 3水泵）用變頻器變頻調(diào)速恒壓供水。依次類推，各臺水泵交替工作于變頻和工頻狀態(tài)。水泵運行遵循先入先出的原則，即先接通先斷開，用水量增加時先將原變頻 工作的水泵切換為工頻運行，同時增加一臺水泵為變頻運行；用水量減少時，將先啟動的水泵停機(jī)。每臺水泵變頻工頻運行概率相同，以避免某臺水泵長期不運行而生銹的情況發(fā)生。 消防供水系統(tǒng)工作原理？ 本系統(tǒng)設(shè)置消防水泵工頻運行，由 PLC進(jìn)行消防水泵電機(jī)組自動控制，在備用時消防水泵自動定期交替試運行，每臺水泵試運行時間和兩臺水泵之間的試運行間隔時間可由用戶根據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣可以定期進(jìn)行消防供水系統(tǒng)設(shè)備的檢查與維修，防止因消防系統(tǒng)長期不運行而造成設(shè)備的損壞，致使消防用水時不能及時正常供水的現(xiàn)象發(fā)生。 如遇火情，生 活供水狀態(tài)立即轉(zhuǎn)人消防供水。首先由上位機(jī)給定壓力值，然后系統(tǒng)按控制過程通過變頻器和 PLC的控制迅速使消防管網(wǎng)壓力到達(dá)設(shè)定值附近。當(dāng)水流檢測器出現(xiàn)故障時，還可通過按動消防專用啟動按鈕啟動消防水泵運行。消防供水的恒壓控制是通過壓力檢測器的低壓觸點和高壓觸點與 PLC聯(lián)合控制的，其控制過程與生活用水恒壓控制類似。當(dāng)消