【文章內(nèi)容簡介】 ： (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，包括供水控制器變頻器 水泵 用戶管網(wǎng) 壓力 壓力變送器 給定值 + 9 (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，本設(shè)計中采用 變頻循環(huán)式。 現(xiàn)將 系統(tǒng)控制流程說明如下： (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，將另一臺水泵 M3 投入運行（變速運行）， M2 工頻運行。變頻器輸出 10 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 M1 關(guān)掉。 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。 在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關(guān)系相對應(yīng)?？紤]到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才可能發(fā)生 切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能加泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖 ： 11 圖 用于壓力判斷的回滯環(huán) 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當實際的供水壓力比設(shè)定壓力小／ 2的時候才允許進行機組增加；如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當實際的供水壓力比設(shè)定壓力大妮／ 2 的時候才允許進行機組的增加?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明 當前確實需要進行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題：實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切換的誤操作。這兩種情況有一個共同的特點，即它們維持的時間短，只能夠使機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。根據(jù)這個特點，在判別條件中加入延時的判斷就顯得尤為必要了。 所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠 維持一段時間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 經(jīng)過以上的分析，將實際的機組切換的條件優(yōu)化為： 12 西門子系列 PLC編程采用 STEP7軟件，它是西門子 PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調(diào)節(jié)程序和電機切換程序；電機切換程序又 包括加電機程序和減電機程序。起動子程序?qū)嶋H上是清零子程序。在主程序中，設(shè)置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計方案的確定 設(shè)計任務(wù)及要求 本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象， PLC 與變頻器協(xié)調(diào)控制電機的轉(zhuǎn)速與啟動和停止。 系統(tǒng)控制要求 : (1) 工藝參數(shù) : 供水系統(tǒng)由 3 臺水泵組成： 母管壓力 H≥，一臺定速，一臺變速，一臺備用。 母管壓力 H≤，一臺定速或變速，二臺備用。 母管壓力 H≤，一臺變速，二臺備用。 (2) 電動機參數(shù)： 型號： JDL394 功率： 75KW 額定頻率： 50Hz 額定電壓： 380VAC； 額定轉(zhuǎn)速： 1470 r/min 額定電流： A (3) 水泵電機的起動 /停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。 (4) 變頻器采用遠方控制方式。 (5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。 (6) 變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。 (7) 變頻器的報警處理。 備選設(shè)計方案 13 系統(tǒng)主電路設(shè)計 圖 系統(tǒng)主電路圖 14 由恒壓供水主電路圖可見，接觸器 1KM 2KM和 3KM2 用于變頻器輸出，分別接到水泵 M M2 和 M3，而接觸器 1KM 2KM3 和 3KM3 將工頻電源接到 3 臺水泵。變頻器可以對任何一臺水泵啟動和恒壓供水控制。 空氣開關(guān)（ QL）是當電動機過載時自動將電動機從電網(wǎng)中 斷開 熱繼電器（ FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護電路，它在電路中用作電動機的過載保護。 3 器件的選型及介紹 變頻器簡介 變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器是把工頻電源 (50Hz或 60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速 運行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路。 變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為 PAM 控制變頻器、 PWM 控制變頻器和高載頻 PWM 控制變頻器；按照工作 原理分類，可以分為 V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器的控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f控制 15 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩 速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。 V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種 變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應(yīng)特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在 d、 q、 0 坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種 PWM 波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的 PWM 波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下 分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出 100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 16 變頻器選型 變頻器的控制方式 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約 5O 多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。 下 表中參數(shù)供選用時參考。 表 控制方式的比較 控制方式 U/f=C 控制 電壓空間矢量控制 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 反饋裝置 不帶 PG 帶 PG 或 PID調(diào)節(jié)器 不要 不帶 PG 帶 PG或編