【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 轉(zhuǎn)速成正比， 揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速成正比， 功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比， 則 損耗功率與 轉(zhuǎn)速 成正比，控制了轉(zhuǎn)速就相當(dāng)于控制了損耗功率，所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方式節(jié)能效果顯著 [4]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合，在本文 中主要應(yīng)用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) [5]： (1) 滯后性：供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量（如：溫度、流量、濃度等）一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。 (2) 非線性：用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。 (3) 多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。 (4) 時(shí)變性：在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運(yùn)行）是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為：變頻 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 10 頁(yè) 共 47 頁(yè) 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。 (5) 容錯(cuò)性：當(dāng)出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等）時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位， 管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 (6) 可擴(kuò)充性：水泵的電氣控制柜，具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。 (7) 節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從 0 到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊， 延長(zhǎng)了設(shè)備的適用壽命。 本章小結(jié) 本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流流量處于平衡狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方式節(jié)能效果顯著。最后列舉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 11 頁(yè) 共 47 頁(yè) 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變 的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行變頻恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_(kāi)始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)一般要經(jīng)歷兩個(gè)過(guò)程 :零壓過(guò)程和壓力上升過(guò)程。首先零壓過(guò)程是指：水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫?，可以認(rèn)為保持為零，這是一個(gè)純滯后的過(guò)程。其次壓力上升過(guò)程是指：水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，可以認(rèn)為是一階慣性環(huán)節(jié)，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過(guò)程。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似等效為一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。而系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與原供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。則變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型為： 1)( ?? ?TsKeSG s? （ 3－ 1） 式中 : K —— 系統(tǒng)的總增益 T —— 系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù) ? —— 系統(tǒng)滯后時(shí)間 變頻恒壓控制的原理框圖 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)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(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。 從圖 中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò) PID 計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 12 頁(yè) 共 47 頁(yè) 頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反 ，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。如圖 所示： 變 頻 器（ P I D ）水 泵 管 網(wǎng)壓 力 檢 測(cè) 儀 表給 定參 數(shù)頻 率 轉(zhuǎn) 速 實(shí) 際 壓 力 反 饋 參 數(shù) 圖 變頻恒壓控制的原理圖 變頻恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)原理 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 Proportional ( 比例 )、Integral(積分 )、 Derivative(微分 )控制，簡(jiǎn)稱(chēng) PID 控制，又稱(chēng) PID 調(diào)節(jié)。 PID控制器問(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 控制器就是根據(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。 通過(guò)控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 13 頁(yè) 共 47 頁(yè) 就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。 在本供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。其原理框圖如圖 所示： 積 分微 分比 例水 泵 管 網(wǎng)壓 力 檢 測(cè) 儀 表－＋r ( t ) e ( t )＋ ＋＋ P I D 閉 環(huán) 控 制 圖 u ( t ) 頻 率 轉(zhuǎn) 速 實(shí) 際 壓 力 c ( t ) 圖 PID 控制原理框圖 PID 控制器是根據(jù)目標(biāo)值（設(shè)定值） )(tr 與反饋值（測(cè)量值） )(tc 之間構(gòu)成的偏差 e(t) )()()( tctrte ?? （ 3－ 2） 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： ?????? ???? dt tdeTdtteTteKtu DIP)()(1)()( （ 3－ 3） 式中： PK —— 比例系數(shù) IT —— 積分時(shí)間常數(shù) DT —— 微分時(shí)間常數(shù) e —— 偏差信號(hào) u —— 輸出 PID 參數(shù)一般按照工藝對(duì)控制性能的要求來(lái)選擇比例 系 數(shù) PK 、 積分常數(shù) IT 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 14 頁(yè) 共 47 頁(yè) 和微分常數(shù) DT 。比例常數(shù) PK 越加大，系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快， PK 偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)， PK 太大時(shí)，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定， PK 太小，系統(tǒng)動(dòng)作趨于緩慢。積分環(huán)節(jié) IT 通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降， IT 太小，系統(tǒng)不穩(wěn)定， IT偏小，振蕩次數(shù)增加， IT 偏大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響減小，當(dāng) IT 合適時(shí)，過(guò)渡過(guò)程比較合理。微分 控制 DT 可以改善動(dòng)態(tài)特性。 DT 偏大時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng) DT 偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；只有 DT 合適時(shí)，才可以得到比較滿意的過(guò)渡過(guò)程 [6]。 PID 調(diào)節(jié)過(guò)程首先引入比例常數(shù) PK ，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度，但是加大 PK 只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。然后引入積分控制 IT ，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。最后引入微分控制 DT ，減小系 統(tǒng)的超調(diào)量，改善系統(tǒng)品質(zhì)。 PID 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡如圖 所示： 時(shí)間（T）輸出頻率（Hz）超調(diào) 圖 PID 調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)平衡 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)方案的確定 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與選擇 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用 J 值壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟 啟 動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下幾種方案 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 15 頁(yè) 共 47 頁(yè) 可供選擇 [7]: (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機(jī)組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)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(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)， 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(dòng)態(tài)性 能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。 (2) 通用變頻器 +單片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)控制 )+人機(jī)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，具有較高的性能價(jià)格比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，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(lái)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通用性強(qiáng)，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(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/0 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò) PC 機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類(lèi)不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。 通過(guò)對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。由于 PLC 的特點(diǎn)，這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。為提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在此方案基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 16 頁(yè) 共 47 頁(yè) 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成 由于本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)居民生活用水，其水量主要集中在早、晚兩個(gè)用水高峰段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，因此我們采用多臺(tái)水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié) 投入水泵臺(tái)數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。 本文采用四臺(tái)水泵，其中三臺(tái)主泵和一臺(tái)附屬小泵組成了供水系統(tǒng)。由圖 結(jié)構(gòu)框圖所示，變頻恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、通訊接口以及報(bào)警裝置等部分組成。如圖 所示： 水 箱供 水 控 制 柜 （ P L C 系 統(tǒng) ＋ 變 頻 器 ＋ 電 控 設(shè) 備 ）報(bào)警裝置通訊接口人機(jī)界面M 1M 2M 3 M 4 壓 力 變 送 器 用 戶 市 政 供 水 管 道 水 位 傳 感 器圖 供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 (1) 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)，由變頻泵和附屬小泵 構(gòu)成。變頻泵是由變頻調(diào)速器控制，且可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。附屬小泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下 (例如 :夜間 )對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 17 頁(yè) 共 47 頁(yè) 量的補(bǔ)充。 (2) 信號(hào)檢測(cè) 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。 水壓信號(hào)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(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)，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(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電 極 點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè) 結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入。 液位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的液位傳感器。 報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 (3) 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(gè)部分。 (a) 供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī) 接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制。 (b) 變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤