【文章內(nèi)容簡介】 成本低 ，節(jié)能效果 十分顯著 ，效率 也相對較 高， 不足是必須有 專門的變極電機， 包含 有級調(diào)速，且級差 變化較 大 ，即變速時轉(zhuǎn)速 改變相當 大， 同樣 轉(zhuǎn)矩 變化也 大， 所以僅僅能滿足 特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn) 設(shè)備 。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了 獲得較大的調(diào)速范圍而一般選取 串級調(diào)速的 辦法 ， 該方法 最大 好處就是能夠循環(huán)利用 轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果 更為突出 ，且調(diào)速性能 優(yōu)越 ，但 因為 線路 結(jié)構(gòu)太過繁瑣 ，增加了 線路 環(huán)節(jié)的電能損 耗 ，成本高 的缺點嚴重了 影響它的推廣價值。 以下重點 分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。 依 據(jù)公式可 得 ， 若 轉(zhuǎn)差率 改變不大 時，異步電動機的轉(zhuǎn)速 n 大體 上與電源頻率 f成線性關(guān)系（一般為正比關(guān)系） 。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就 能夠 平滑地 控制 電動機的轉(zhuǎn)速?；?PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 63 頁 但是， 簡單的控制 電源 頻率 變化 ， 會導(dǎo)致 電機運行性能惡化。 伴隨著 電力電子技術(shù)的 逐步成熟 ，已 開發(fā) 了各種性能 優(yōu)越 、 運行穩(wěn)定 的變頻調(diào)速電源裝置，它們 推進 了變頻調(diào)速技術(shù) 的廣泛應(yīng)用 。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的 控制方案 控制方案的 選擇 恒壓變頻供水系統(tǒng) 一般由 單元變頻器、恒壓控制 、 壓力變送器、水泵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 模塊 使變頻器控制一臺水泵或控制多臺水泵， 維持 管網(wǎng)水壓的 穩(wěn)定， 同時還 應(yīng)具備 對運行數(shù)據(jù) 實施 傳輸和監(jiān)控。 依據(jù) 系統(tǒng)的設(shè)計目的 要求，有以下幾種方案可供 參考 ： (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) 相對比較簡單 ，將 PID 調(diào)節(jié)器 與 PLC 等硬件集成在變頻器供水基板上， 采取 設(shè)置指令代碼 完成 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的 功能 。 該控制系統(tǒng) 雖然 簡化了電路結(jié)構(gòu)， 降低 了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值 兩方面的顯示過程中又太過繁瑣 ， 不能 自動 滿足各個 時段的不同恒壓 需 求， 進行 調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu) 環(huán)節(jié)比較復(fù)雜 ，調(diào)節(jié) 幅度相對較 小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能 很難得到 保證。其輸出接口 也存在擴展功能 靈活度低 ，數(shù)據(jù) 傳輸 困難，并且 影響 了帶負載的容量，因此僅 僅能夠滿足 于要求 較低 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 該控制 方式控制精度 相對較 高、控制算法 靈活多變 、參數(shù)調(diào)整 十分容易 ，具 備優(yōu)越的性價比，但 研發(fā) 周期 比較 長，程序 一旦 固化， 不易改動 ，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性 變得非常之差 ， 并且當 變頻器在 工作 時， 容易 產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生干擾越大，所以必須采取 一定 的抗干擾措施來 確保 系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng) 僅 適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水 系統(tǒng) 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 該 控制方式靈活 簡單 。具 備不錯的 通信接口， 能夠 方 便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性 相對較高 ； 目前 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可 按照實際需要 組成規(guī)模和 需求 不同 的 控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計 過程中 ， 僅 需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線 即可 ， 若 控制要求發(fā)生 一定變化 ， 能夠輕松 地 利用 PC 機來 控制 存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試 十分簡單 。 并且基 于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高 特點 ，因華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 63 頁 此系統(tǒng)的可靠性大大 改善 。該系統(tǒng)能 滿足 各類 不同要求的恒壓供水 情形 ，并且與供水機組的容量 范圍沒有任何關(guān)系 。 通過 以上 這幾種方案的 對比 和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本 設(shè)計 。這種 控制方 式 既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能 滿足 系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。 系統(tǒng)的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng) 一般由 變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組 等幾個部分 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 22 所示： 圖 22 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) 由一組水泵組構(gòu)成 ， 該組水泵的作用是 將水 引 入 居民用水管網(wǎng)， 該水泵組主要 由一臺變頻泵和兩臺工頻泵 組成 ，變頻泵是 通過 變頻調(diào)速器控制、能夠 進行變頻調(diào)整 功能 的水泵，用 來依據(jù)具體的用水情況調(diào)節(jié) 電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的 壓力穩(wěn) 定；工頻泵 僅工作 于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量 相對較 大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都 不能達到供水需求 時）的情況下投入 使用 。 (2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制 環(huán)節(jié) 中， 必須采集許多關(guān)鍵 信號 包括 管網(wǎng)水壓信號、基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 8 頁 共 63 頁 水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號 代表 的是 供水 管網(wǎng)的水壓值， 該信號 是恒壓供水控制的 核心 反饋信號。 管網(wǎng)水壓 信號是模擬信號，讀入 PLC 時， 須 進行 A/D 轉(zhuǎn)換 過程 。 此外 為 改善 系統(tǒng)的可靠性，還需對供水 管網(wǎng) 的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表實施 檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC， 當作 數(shù)字量輸入；水池水位信號 表征 水泵的進水水源是否 充裕 。信號 正常 時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng) 進行相應(yīng)的 保護控制，以 避免 水泵 出現(xiàn) 空抽 現(xiàn)象 而 導(dǎo)致 電機和水泵 損壞 。 水池水位 信號來 源于 安裝 在 水池中的液位變送器；報警信號 表征 系統(tǒng)是否 處于 正常 工作狀態(tài) ，水泵電機是否 出現(xiàn) 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) 絕大數(shù)情況下都 安 置 在供水控制柜 里 ， 它主要 包 含 供水控制器 (PLC 系統(tǒng) )、變頻器 及 電控設(shè)備三個 模塊 。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的 絕對重點 。供水控制器直接 通過 對系統(tǒng)中的壓力、報警 等 信號進行 檢測收集 ，對來自人機 及 通訊接口的 綜合信息采取 分析、實施控制算法， 獲得 對執(zhí)行機構(gòu)的控制 方式 ， 利用 變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)進行 相應(yīng)的 控制；變頻器是對水泵 采取 轉(zhuǎn)速控制的 基礎(chǔ) 設(shè)備 ， 它通過 跟蹤供水控制器送來的控制信號 調(diào)整 調(diào)速泵的 工作 頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制 過程 。 通過 水泵機組中水泵被變頻器 控制 的 類型各異 ，變頻器 的兩種運行方式是 變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器 控制 某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵 工作 在上限頻率 時，其供水量仍 不能達到 用水 需 求， 必須 增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵 機組 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 控制其中 一臺水泵作為調(diào)速泵， 若 這臺水泵 工作 在 上限頻率 時，其供水量仍不能達到 用水要求， 必須 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 進行 切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng) 開始 運行 之 前可以 進行 選擇 ， 該 設(shè)計 系統(tǒng) 中采用前者。 作為 一個 完整的 控制系統(tǒng)，報警 模塊 是 不可或缺 的重要組成部分。由于 該 系統(tǒng) 可適應(yīng) 于 各種 供水領(lǐng)域，所以為了 確保 系統(tǒng)安全、可靠、 穩(wěn)定 的運行 性能 ， 避免 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 分析 ，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和 不同的 保護動作控制， 從而避 免造成不必要的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以 系統(tǒng) 出口管網(wǎng) 水壓 為控制目標，在控制上 達到 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 水壓 可以是常數(shù)，也可以是一個時間分段華北科技學院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 63 頁 函數(shù)， 即 每個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在 不同 特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng) 上 的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓 力上 。 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 23 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 一般利用安裝 在 居民 供水管 網(wǎng) 上的壓力變送器實時地 測量 參考點的水壓， 測得 管網(wǎng)出水壓力，并將 該信號 轉(zhuǎn) 化成 4—20mA 的電 子 信號 ， 該 檢測信號是 完成 恒壓供水的 主要 參數(shù)。 因為 電信號為 模擬量，故必須 利用 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入 并與設(shè)定值進行對比 ，將比較后的 結(jié)果通過 PID 運算，再將運算后的數(shù)字信號 利用D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號， 調(diào)節(jié) 變頻器的輸出頻率，從而控制電機的轉(zhuǎn)速 大小 ，進而 調(diào)節(jié) 水泵的供水流量，最 后維持居民 供水管 網(wǎng) 上的 水壓穩(wěn)定 ，實現(xiàn)變頻恒壓供水 目的 。 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) 正常啟動 ， 依據(jù)接 收到自控系統(tǒng)啟動 的正常 信號后，啟動變頻器 調(diào)節(jié) 變頻泵 M1 開始運行 ， 依據(jù) 壓力變送器 檢測 的 用戶 管網(wǎng)實際 水壓 和設(shè)定 水壓間的 偏差 進行 調(diào)節(jié) 變頻器 的實際 輸出頻率， 進而調(diào)節(jié) Ml 的轉(zhuǎn)速 大小 ， 若 輸出 水壓 達到設(shè)定值， 而 供水量與用水量 也維持 平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值， 該時間段 Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 (2) 若 用水量增 大 水壓減小， 從 壓力變送器反饋的 壓力 信號 就會 減小， 進而 偏差變大， PLC 的輸出信號變大， 從而 變頻器的輸出頻率 相應(yīng) 變大，水泵的轉(zhuǎn)速 加快 ， 系統(tǒng) 供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速 會達到另一個相對穩(wěn)定的值 。反之， 若 用水量 降低 水壓增加時， 利用 壓力閉環(huán) 系統(tǒng) ，減小水泵的轉(zhuǎn)速 且會達 到另一個 相對穩(wěn)定的 值。 (3) 若實際 用水量 持續(xù)升高 ，變頻器的輸出頻率 等于 上限頻率時， 若此時用戶管網(wǎng)的實際 水壓 還未達到設(shè)定 水壓 ， 而 且 達到 增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細闡述 )時，變頻基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 10 頁 共 63 頁 循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將 會 在 PLC 的控制下自 行 投入水泵 M2 進行變速工作 ，同時變頻泵 M1 作 工頻 運行 ，系統(tǒng) 恢復(fù) 對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) 控制方式 ，直 至 水壓達到設(shè)定值為止。 假使 用水量 不斷 增 大 ， 達到 增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上 過程 ， 而 另一臺工頻泵 M3 將開始運行 ，變頻器輸出頻率達到上限頻率時， 水壓沒有達到 設(shè)定值時，系統(tǒng) 將會發(fā)出水壓超限報警 的信號 。 (4) 若實際 用水量 減少 水壓升高，變頻器的 實際 輸出頻率 已經(jīng)減小至 下限頻率，用戶管網(wǎng) 中 的 實際水壓仍 然超過 設(shè)定值， 而 且 達到了 減少水泵的 相應(yīng) 條件時，系統(tǒng) 使 工頻泵 M2 停 掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán) 控制 ，使壓力重新達到 原來的 設(shè)定值。 若實際 用水量繼續(xù)下降，并且 達到 減少水泵的 相應(yīng) 條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上 相同的過程 ， 且會使 另一臺工頻泵 M3 關(guān)掉。 水泵切換條件分析 在上述 分析 的 供水系統(tǒng)運行過程 中 ，討論到 當變頻泵己 經(jīng) 運行在上限頻率， 且用戶管網(wǎng)的實際 水壓 仍 低于 設(shè)定 水壓 ， 這 時 就必須 增加水泵 數(shù)量 來 達到 供水 需求 ， 完成 恒壓的目 標，若 變頻泵和工頻泵都在 正常工作 且變頻泵己 經(jīng) 運行在下限頻率，此時 用戶 管網(wǎng)的實際 水壓 仍 超過 設(shè)定 水 壓 ，此時 必須通過 減少工頻泵來減少供水流量， 達到 恒壓的 要求 。那么 該怎樣 進行 水泵間 切換，才能 讓 系統(tǒng) 始終保持 穩(wěn)定可靠的供水壓力， 并且 使機水泵 組不 會太過頻繁 的切換呢 ? 因為 電網(wǎng)的 影響 以及 受限于 變頻器和電機 的 工作頻率， 50HZ 自然而然地 便成了 頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 此 外，變頻器的輸出頻率 也不可能 為負值，最低 也 只能是 0HZ。 事實上 ，在實際 情況 中，變頻器輸出頻率是不可能降 至 0HZ， 因此 當水泵機組運行，電機驅(qū)動 水泵 組給用戶 管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中 水壓 會 產(chǎn)生 反 作用而作用于 水泵，給 驅(qū)動 水泵運行電機一個反向的力矩， 并且該 水壓也阻 礙 源 了 水池中的水 順利地 進入 用戶 管網(wǎng)，因此， 若 電機運行頻率下降到 某個 值時，水泵 其實已經(jīng)根本 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 具體情形 中就是電機 運行 的下限頻率。這個頻率 事實上 遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所 相 關(guān)， 一般在 20HZ 左右 浮動 。 因此人們規(guī)定 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。 當 變頻器實際 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。 如果滿足 fs PP? 時就 開始相應(yīng)的 機組切換， 也有 可能 因為 新增加了一臺機 組 參與工作 ，供水壓力 瞬間 就超 出 了設(shè)定壓力。在 特殊 的 運行條件下 ，運行機組 數(shù)量 增加 之 后，實際供水華北科技學院畢業(yè)設(shè)計