【導(dǎo)讀】節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。本論文結(jié)合我國中小城市多層住。宅小區(qū)的用水現(xiàn)狀，設(shè)計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)。壓力傳感器、及控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運。行與調(diào)速，2臺分別采用循環(huán)使用的方式運行。f來改變電機的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。分析水泵工況的能耗比較。量損耗，能夠明顯節(jié)能。出水口流量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

　　

【正文】 口閘閥關(guān)小來減少水泵出水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會造成管網(wǎng)過載而造成爆管的危險 。當(dāng)把閘閥關(guān)小時，由于在管路中增加了一個局部阻力，則管路性能曲線變陡，管網(wǎng)特性曲線由曲線 1 變?yōu)榍€ 2，水泵的工作點則沿著水泵性能曲線由 A 點移至 B 點，此時工作點 B的軸功率即為 01OQBH 。四點所圍的面積。 當(dāng)把閘閥關(guān)小時，水泵所供應(yīng)的能量有一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。節(jié)流調(diào)節(jié)雖不經(jīng)濟(jì)，也不準(zhǔn)確，但由于簡單、易行，在水泵性能試驗中，仍被廣泛使用。在實際生產(chǎn)中，可用來防止過載和氣蝕。 變速調(diào)節(jié)是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線 改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況以擴(kuò)大水泵使用范圍的目的。變速調(diào)節(jié)就是對水泵相似理論的應(yīng)用。由節(jié) 可得到 22121 )(HH ? （ 225） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 即 kQHQH ?? 222211 2kQH? （ 226） 式 (226)所表示的曲線稱為相似工況曲線。 變頻調(diào)速恒壓供水能耗機理分析 水泵工況的調(diào)節(jié)過程 交流電動機的轉(zhuǎn)速 n與電源頻率 f具有的關(guān)系如下 : )1(60 spfn ?? （ 227） 式中， p 極對數(shù) 。s 轉(zhuǎn)差率 因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電 機的轉(zhuǎn)速 no 改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。 當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從 1n 降低到 2n 。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n ，可使供水泵流量 Q,揚程 H 和軸功率N以相應(yīng)規(guī)律改變 [17] 1212 // nn ? (228) 21212 )/(/ nnHH ? (229) 31212 )/(/ nnNN ? (229) 從上述比例律公式中消去 12/nn :就得到式 (225)及 (226 ) 式 2kQH? 是頂點在坐標(biāo)原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況 ，所以稱為相似工況拋物線。 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n ，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖 來說明。 圖 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖 由圖 可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值圖 (揚程 )為 0H ，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為 n ,，工作點 A的軸功率即為 AOQAH0 四點所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420mA 電流信號送往 PID調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 轉(zhuǎn)速至 2n ，水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A移至 B點在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小 .。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在0H ，因此水泵工作 點又沿著轉(zhuǎn)速 1n 所對應(yīng)的水泵性能曲線從點 B 移至 C 點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C點，在圖 中可以找出 C 點的揚程CH、流量 CQ 以及效率 C? ，工作點 C的軸功率即為 COQCH0 四點所圍的面積。 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行 [18,37]。 水泵工況調(diào)節(jié)與傳統(tǒng)節(jié)流調(diào)節(jié)能耗之比較 若把水泵工況點的節(jié)流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)畫在同一個坐標(biāo)系中，可用圖 表示，考察比較二者的能量損耗。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小，管網(wǎng)壓力升高，管網(wǎng)所需流量減少，即從 AQ必降至 CQ 時，對恒速泵的節(jié)流調(diào)節(jié)來說，水泵工況點沿著水泵性能曲線 1n 自 A 點降至 D點，水泵在工作點 D的軸功率即為 COQDH1 四點所圍的面積，而此時管網(wǎng)中所需的能量僅為 COQFH2 四點所圍的面積，因此水泵提供的多余的軸功率為 DH,HZF 四點所圍的面積，這部分能量損耗用于克服閘閥的附加阻力。對變頻調(diào)速恒壓供水來說，水泵工況點先沿著水泵相似工況曲線自 A點降至 B點，再沿著水泵性能曲線 2n 自 B點上升至 C 點，水泵在工作點 C的軸功率即為 COQCH0 四點所圍的面積，而此時管網(wǎng)中所需的能量僅為COQFH2 四點所圍的面積，因此水泵提供的多余的軸功率為 FHCH 20 。二者進(jìn)行比較，不難看出在相同的管 }司流量需求 CQ 下，變頻調(diào)速恒壓供水中水泵消耗的能源少于恒速泵節(jié)流調(diào)速所消耗的能源，節(jié)約的能耗為 FHDH 21 四點所圍的面積減去 FHCH 20 四點所圍的面積，即為 CHDH 01 四點所圍的面積。 圖 水泵工況點節(jié)流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較圖 由以上分析可知，利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。 調(diào)速范圍的確定 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 是不要使變頻器頻率下降得過 低，避免水泵在低效率段運行 [19]。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負(fù)載率在 2O%100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 本章小節(jié) 水泵的工作點就是同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點，由于水泵工作點是水泵運行的理想工作點， 實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點 (工況點 )的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進(jìn)行深入研究，得出了以下結(jié)論 : 水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率 f來改變電機的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線 得以實現(xiàn)的。 分析水泵工況點節(jié)流調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)能耗比較圖，可以看出利用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，與恒速泵供水方式中用閘閥增加阻力的節(jié)流方式相比，在一定程度上可以減少能量損耗，能夠明顯節(jié)能。 考察水泵的效率曲線 ? Q ，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。實際配泵時揚程應(yīng)沒定在水泵的高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其 頻率變化范圍在 40Hz 以上，轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 第 3 章 內(nèi)置 PID 變頻器 在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中， PID 控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。在本世紀(jì) 40 年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，它是唯一的控制方式。 PID 控制具有很多優(yōu)點 [39] 。 ①算法簡單，使用方便，容易通過簡單的硬件和軟件方式實現(xiàn) 。 ②適應(yīng)性強，可以廣泛的應(yīng)用于各種行業(yè) 。 ③魯橋性強，它的控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。 由于其有 這些優(yōu)點， PID 控制直到現(xiàn)仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式之一。 PID 控制及其調(diào)節(jié)規(guī)律 經(jīng)典 PID 控制及調(diào)節(jié) PID 控制是一種負(fù)反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由 PID 控制器和被控對象組成，具有一般閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過負(fù)反饋作用使被控系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 。 PID 控制器綜合了關(guān)于系統(tǒng)過去 (I)、現(xiàn)在 (P)和未來 (D)三方面的信息，對動態(tài)過程無需太多的預(yù)先知識，控制效果能夠滿足要求。 圖 PID控制系統(tǒng)原理 PID 控制器是一種線性控制 器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構(gòu)成的控制偏差 )()()( trtyte ?? （ 31） 將偏差。 )(te 的比例 (Proportion)、積分 (Integral)和微分 (Differential)，通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。其理想的控制規(guī)律為 ])()(1)([)( 1 dt tdeTdtteTteKtu DP ??? ? （ 32） 對上式作拉氏變換可得 : 畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 ))()()(()( 1 SSETS SETSEKSU DP ??? （ 33） PID 控制器的傳遞函數(shù)形式由式 ()描述 SKSKKSTTKSE SUSG DPDSP ??????? 11 )11()( )()( （ 34） 式中 PK — 稱為比例系數(shù) 。 11 TTK? — 稱為積分系數(shù) 。 TTK D?1— 稱為微分系數(shù) 。 1T — 為積分時間常數(shù) 。 DT — 為微分時間常數(shù) PID 控制器各個部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下 [23,25,39]。 比例增益部分 (P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少， 但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 積分部分 (I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關(guān)，還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) 1T ，1T 越大，積分作用越弱，反之則越強。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應(yīng)。 3,微分部分 (D)可以對輸入的變化趨勢做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時間，用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個零點，如果使用不當(dāng)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 PID 的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適 當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如 PI 控制算法， PD 控制算法和 PID 控制算法。 數(shù)字 PID控制 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的系統(tǒng)采用數(shù)字控制。計算機對來自 A/D 轉(zhuǎn)換器的信號進(jìn)行比例、積分和微分變換處理，既能消除靜差，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性，又能加快過渡過程和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性 [23]。數(shù)字控制器的經(jīng)典設(shè)計方法有兩種 :連續(xù)設(shè)計法和離散設(shè)計法。 通常在模擬 PID算法的基礎(chǔ)上，通過離散化處理就得到數(shù)字 PID 的公式。 ? ??????? ????? ??ni dP neneTTieTTneKnu 01)1()()()()( （ 35） 式中， T 為采樣周期 (或控制周期 )， n 為采樣序號， n =1,2,...， )1( ?ne 和 )(ne 分別為第 1?n 和第 n 次采樣所得的偏差信號， )(nu 為第 n 時刻的控制量。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 在模擬控制器中難以實現(xiàn)的理想微分的 de/dt，在計算機中可以利用其差分方程很好的實現(xiàn)，因此式 (35)也稱為理想微分 PID 數(shù)字控制器。 1位置式 PID 算式 模擬儀表調(diào)節(jié)器的動作是連續(xù)的，任何瞬間的控制量輸出 :都對應(yīng)于