【導(dǎo)讀】水量與用水量的匹配，保護(hù)供水的壓力恒定即恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)以。1．熟悉題目要求，查閱相關(guān)科技文獻(xiàn)，寫出開(kāi)題報(bào)告；5．撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書，繪制圖紙；6．翻譯一篇與自己所學(xué)專業(yè)或設(shè)計(jì)有關(guān)的英文資料；1．根據(jù)控制要求完成系統(tǒng)的硬件選型與配置；2．繪制軟件框圖并編程；泵的功率均為160KW；所有泵可設(shè)計(jì)成變頻循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式；采用PID算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制；西門子S7-200型系列PLC控制變頻及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行。系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)操作功能；障均能自行診斷，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。其它相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。2．設(shè)計(jì)說(shuō)明書；10月20日：完成畢業(yè)論文、答辯。力，由于水壓不足，嚴(yán)重影響了上述用戶的正常工作和生活。變頻恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、節(jié)省設(shè)備、安全、應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)?？刂破骱蛪毫鞲衅鳎瑢?duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)

　　

【正文】 啟動(dòng)電流對(duì)馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。 減少無(wú)功功率 無(wú)功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因無(wú)功功率因素的降低導(dǎo) 致電網(wǎng)有功功率的降低。而使用變頻器調(diào)節(jié)后由于變頻 器內(nèi)濾波電容的使用，使得功率因素接近為 1，增大了電網(wǎng)的有功功率。從而節(jié)省了無(wú)功功率消耗的能量。 方便控制，使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單化 ①、變頻器很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn) ②、加、減速時(shí)間及頻率可任意調(diào)節(jié) ③、變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，則無(wú)需另加制動(dòng)控制電路 ④、運(yùn)行平穩(wěn) ⑤、可進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 PID調(diào)節(jié)器 PID 是比例 ,積分 ,微分的縮寫 .BR比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差 ,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差 ,比例調(diào)節(jié)立 即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大 ,可以加快調(diào)節(jié) ,減少誤差 ,但是過(guò)大的比例 ,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 ,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差 ,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行 ,直至無(wú)差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱 ,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合 ,組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào) 節(jié)器 。 僅用 P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I動(dòng)作 的 PI控制。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動(dòng)作控制。 對(duì)于 PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú) D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)， P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅 P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使 P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。 利用 I動(dòng)作消除偏差作用和用 D動(dòng)作抑 制振蕩作用，在結(jié)合 P動(dòng)作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從 產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 PID控制框圖 圖 PID控制框圖 通過(guò)對(duì)被控制 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。也就是使反饋量與日標(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。在恒壓供水中常見(jiàn)的 PID控制器的控制形式主要有兩種 : (1)硬件型：即通用 PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P、 I、 D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。 (2)軟件型：使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器 (或單片機(jī) )上做 PID控制器 此次使用硬件型控制形式。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要 求，本系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。 圖 PID 控制接線圖 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理 設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開(kāi)發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該 系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)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)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。 (3)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)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 (包括定量泉的停止和運(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，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、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)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的 仍能進(jìn)行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠(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) 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 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)表打印等功能。 (7)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)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(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)備的使用壽命。 課題研究的對(duì)象 圖 供水流程簡(jiǎn)圖 此次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。由于 高層樓對(duì)水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無(wú)法正常用水甚至出現(xiàn)無(wú)水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。如圖 所示，是這棟小樓的供水流程。自來(lái)水廠送來(lái)的水先儲(chǔ)存的水池中再通過(guò)水泵加壓送給用戶。通過(guò)水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國(guó)內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工 頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。 2．單片微機(jī)電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對(duì)電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。 3．帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器 (PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足 用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控后，經(jīng)可編程 控制器內(nèi)部 PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入 PID回路調(diào)節(jié)器，由 PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或 PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來(lái)講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個(gè) PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 4．新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來(lái)紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切換卡； SANKEN的SAMCO— I系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于 PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì) PID算法的編程，而且 PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋 信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。 考慮以上六種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第六種方案。如圖 。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 圖 供水系統(tǒng)方案圖 變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 控制原理圖 如圖 ，整個(gè)系統(tǒng)由四臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái) PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號(hào) )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過(guò)改變電 機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。 (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)，圖 4個(gè)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻調(diào)速器控制、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。 恒速泵 :水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(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)包括自來(lái)水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào) : 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 ① 水壓信號(hào) :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(hào)。 ② 報(bào)警信號(hào) :它反映系統(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。 ① 供水控制器 :它是整個(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)中的工況、壓力、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。 ② 變頻器 :它是對(duì)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(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手 /自動(dòng)切換等。 (4)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(chǎng)所。通過(guò)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(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)