【導讀】水量與用水量的匹配，保護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，查閱相關科技文獻，寫出開題報告；5．撰寫設計說明書，繪制圖紙；6．翻譯一篇與自己所學專業(yè)或設計有關的英文資料；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；所有泵可設計成變頻循環(huán)軟啟動的工作方式；采用PID算法實現(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)場設備的運行。系統(tǒng)具有自動/手動操作功能；障均能自行診斷，并發(fā)出報警信號。其它相關電路的設計。2．設計說明書；10月20日：完成畢業(yè)論文、答辯。力，由于水壓不足，嚴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)省設備、安全、應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機。控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)

　　

【正文】 啟動電流對馬達和電網(wǎng)的沖擊，延長了電機的使用壽命。 減少無功功率 無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是因無功功率因素的降低導 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)省了無功功率消耗的能量。 方便控制，使控制系統(tǒng)簡單化 ①、變頻器很容易實現(xiàn)電機的正、反轉(zhuǎn) ②、加、減速時間及頻率可任意調(diào)節(jié) ③、變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機加上一個直流電壓，進行制動，則無需另加制動控制電路 ④、運行平穩(wěn) ⑤、可進行高速運轉(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 ,提高無差度。因為有誤差 ,積分調(diào)節(jié)就進行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強。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 ,動態(tài)響應變慢。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動作 的 PI控制。用 PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用 P動作控制。 對于 PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨 D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時， P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅 P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使 P動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程本身沒有制動作用的負載。 利用 I動作消除偏差作用和用 D動作抑 制振蕩作用，在結(jié)合 P動作就構(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，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從 產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng) (即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(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 。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 PID控制框圖 圖 PID控制框圖 通過對被控制 對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標值 (溫度、流量、壓力等設定值 )進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標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、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的 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，在使用時只需要進行線路的連接和 P、 I、 D參數(shù)及日標值的設定。 (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 )上做 PID控制器 此次使用硬件型控制形式。 根據(jù)設計的要 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 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(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，廣泛應用于多層住宅小區(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)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理 設計變頻恒壓供水設備、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去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，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、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 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合的供水要求，該 系統(tǒng)具有以下特點 : (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量 (如 :溫度、流量、濃度等 )一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 (2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時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)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此 其控制對象的模型具有很強的多變性。 (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行 )是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(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，因此可以認為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時時變化的。 (5)當出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等 )時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的 仍能進行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (論文 ) 14 或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。 (7)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設備的使用壽命。 課題研究的對象 圖 供水流程簡圖 此次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。由于 高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。如圖 所示，是這棟小樓的供水流程。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設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現(xiàn)水泵機組全部軟啟動、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時水壓波動大、調(diào)試較麻煩、工 頻泵起動時有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。 2．單片微機電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應付不同管網(wǎng)、不同供水情況時，調(diào)試較麻煩；追加功能時往往要對電路進行修改，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提供可變頻率的電源。實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統(tǒng)提供滿足 用戶需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程 控制器內(nèi)部 PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入 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)部進行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或 PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講。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格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。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)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入，輸出的可編程控制器和一個 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)速恒壓給水控制設備中， PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)。 4．新型變頻調(diào)速供水設備 針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來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)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于 PID運算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 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，為了保證水壓反饋 信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。 考慮以上六種方案后，此次設計采用第六種方案。如圖 。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (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 ，整個系統(tǒng)由四臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測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 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電 機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 (1)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)，圖 4個水泵分為二種類型 : 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。 恒速泵 :水泵運行只在工頻狀態(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，對供水量進行定量的補充。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號 : 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計 (論文 ) 17 ① 水壓信號 :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。 ② 報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關量信號。 (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) )、變頻器和電控設備三個部分。 ① 供水控制器 :它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)中的工況、壓力、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 )進行控制。 ② 變頻器 :它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控 制的單元。變頻器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。 ③ 電控設備 :它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換等。 (4)人機界面 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示，對