【正文】 所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、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，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。 現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說明如下： 1)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水泵M1，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制M1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M1工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 2)當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，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(在下文有詳細的闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機M1切換至工頻電網(wǎng)供電后，M1恒速運行，同時使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(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，并有新的水泵投入并聯(lián)運行。當最后一臺水泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率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(在下文有詳細的闡述)時，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運行的水泵關(guān)掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重1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，直到剩下一臺變頻泵運行為止。 5)當系統(tǒng)中只有1臺調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運行頻率已降至下限頻率時，且滿足關(guān)泵條件，此時關(guān)閉調(diào)速泵。系統(tǒng)進入靠附屬小泵進行少量補水的狀態(tài)。在這種情況下，若實際壓力低于設(shè)定壓力，則延時后開啟附屬小泵進行補水，附屬小泵開啟后，若實際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。待實際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進行控制，工作過程同4步。循環(huán)投切的工作過程：變頻器的輸出端不能連接電源，也不能運行中帶載脫閘，切換過程應(yīng)按以下的程序進行。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運行時，當變頻器的輸出頻率達到50Hz或52Hz時，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz，取決于水泵電機運行在52Hz時是否超載。在50Hz頻率下運行60S管網(wǎng)水壓未達到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過程是：先關(guān)該臺水泵電動閥，然后變頻器停車（方式為自由停車），水泵電機慣性運轉(zhuǎn)，考慮到電機中的殘壓，不能將電機立即切換到工頻，而是延時一段時間，到電機中的殘壓下降到較小值，這個值保證電源電壓與殘余電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小，在水廠160KW水泵電機的切換時間為600ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關(guān)容量為400A,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都百分百成功。關(guān)閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉(zhuǎn)，到600ms時電機的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小。切換完成后，在打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上啟動并運行，在開電動閥。切除工頻泵時，先關(guān)閥，在停車。這樣無“水錘”現(xiàn)象。這些操作都是由PLC自動控制完成的。其控制流程圖如下所示： 開 始水壓低？輔 助 泵 運 行設(shè)定時間到？達到設(shè)定壓力值？變頻啟動主泵A停止輔助泵YNYNNY （1）主 泵 A變 頻 運 行主泵B變頻運行達到設(shè)定壓力值？達到設(shè)定時間？主泵A工頻運行運行在最低出水頻率以下？主泵A停止變頻啟動主泵BYNYNNY（2）主泵B變頻運行到達設(shè)定壓力值？運行在出水頻率以下？（3）主泵B變頻運行主泵A停止YN NY報 警 供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當一臺調(diào)速水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；當調(diào)速水泵和工頻運行水泵都在運行且調(diào)速水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，此時需要減少工頻運行水泵來減少供水流量，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?盡管通用變頻器的頻率都可以在0——400Hz范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進行。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。當變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達50HZ時，即使實際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能通過水泵機組切換，增加運行機組數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是OHZ。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到OHZ。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OHZ，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。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。從上面的分析可以看出，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時，存在的實際供水壓力差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。當變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時，存在的壓力差不會使輸出頻率繼續(xù)降低，實際的供水壓力也不會降低。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。 判別條件可簡寫如下： f=fup pspf (29) f=flow pspf (210) 式中：fup：上限頻率 flow：下限頻率 Ps： 設(shè)定壓力 pf：反饋壓力對于第一個判別條件，可能出現(xiàn)這種情況：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。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。并且使新投入運行機組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運行，對供水作用很小。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。假設(shè)這一段時間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實在一個穩(wěn)定的供水時段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個工頻狀態(tài)下運行的機組之后，機組的整體運行情況與增加運行機組之前完全相同。可以預見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入專切出專再投入專再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。同時，在切換過程和變頻器從啟動到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。所以，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，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，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖2．5表示。設(shè)定壓力實際壓力設(shè)定壓 力實際壓力增泵△Pd/2△Pd/2減泵 （上限頻率） （下限頻率） 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△Pd／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△P／2的時候才允許進行機組的增加。回滯環(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： 增泵條件：f=fup pf＜ps△pd2 且延時判別成立 減泵條件：f=flow pf＞ps+△pd2 且延時判別成立 本章小結(jié) 本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要配置的選型 水泵機組的選型 根據(jù)第2章中所闡述的基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3．1所示：故障、狀態(tài)等量輸入報警、控制等量輸出上位機、組態(tài)等變頻器壓力、流量等傳感器人機界面軟啟動、自耦變壓器水泵機組A/D模塊可編程控制器PLC通訊模塊 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括： 1)水泵機組、變頻器 2)PLC及擴張模塊 3)壓力變送器及數(shù)顯儀 水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本文以某小區(qū)的實際生活用水的數(shù)據(jù)進行選型，該小區(qū)生活用水具體要求為： 1) 由多臺水泵機組實現(xiàn)供水，流量范圍600㎡/h^，揚程60米左右，出水口水壓大小為O．4MPa； 2) 設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要小； 3) 系統(tǒng)能自動可靠運行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能，各主泵均能可靠地實觀軟啟動； 4) 具有完善的保護和報警功能，系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能。根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計秒流量和設(shè)計供水壓力(水泵揚程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺中山市永通消防機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Y系列主水泵機組和1臺Y系列輔助泵機組。型號及參數(shù)見表3．1所示： Y系列臥式電動機型號及參數(shù)同步轉(zhuǎn)速1500r/min （4極） 50HZ型號功率（KW）電流（380V）A轉(zhuǎn)速（r/min）效率%（η）功率因素（cosφ）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩 Tst/Tn堵轉(zhuǎn)電流/額定電流Ist/In最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩Tmax/TnY315L1416028914806．8Y280M4901480 Y系列電動機具有高效、節(jié)能、起動轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動小、運行可靠、壽命長等優(yōu)點。 Y系列電動機容量和安裝尺寸符合IEC標準的要求。外殼防護等級為IP44，冷卻方式IC0141。Y系列電動機額定電壓為380V，額定頻率為50Hz，3KW以下為“Y”接法，4KW以上為“△”接法。 變頻器的選型 要對系統(tǒng)所用的變頻器進行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據(jù)所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機連續(xù)運轉(zhuǎn)時，變頻器容量(kVA)應(yīng)同時滿足下列三式： PCN≥kPMηcosφ（KVA） （31）