【文章內(nèi)容簡介】 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，是通過改變水的動能改變流量。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(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)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(shù)。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 11 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)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(guān)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(diào)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(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。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)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、水泵山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(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(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)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(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。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，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，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(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(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(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 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(guān)。 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(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。 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(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)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(wǎng) 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(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水 泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 持管網(wǎng)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(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(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，需進行 A/D 轉(zhuǎn)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(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)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(guān)量信號。 (3) 控制機構(gòu)：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。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(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) (即水泵機組 )進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其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(diào)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(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 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(shè)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(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(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓力上 [10]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(wǎng) 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(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4—20mA 的電信號 ，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)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(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 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(zhuǎn)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(xiàn)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(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調(diào)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(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wǎng)的實際壓力還未達到設(shè)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(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 17 工頻泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)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(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3關(guān)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(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)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(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)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(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)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(yīng)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(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)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(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)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(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。 當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn) sfPP? 時就進行機組