【正文】 在撰寫論文期間，范彥輝、張少華、吳彥斌等同學(xué)對我論文中的軟件設(shè)計與研究工作給予了熱情幫助，在此向他們表達(dá)感激之情。33附錄34錨泵，主泵轉(zhuǎn)換、主泵之間轉(zhuǎn)換部分程序。本系統(tǒng)具有以下的特點：l、采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設(shè)備 PLC 和內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)模塊的變頻器作為主要控制設(shè)備，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水。其具體調(diào)節(jié)過程如下 [14]:（1）穩(wěn)態(tài)運行當(dāng)供水能力 =用水需求 ,目標(biāo)壓力信號和壓力反饋信號 y 相等,偏差 e = y r, PIDGQU輸出的控制增量 Δu =0,變頻器輸出頻率不變,水泵轉(zhuǎn)速不變,處于穩(wěn)態(tài)運行。DT 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析恒壓供水的目的就是要保證供水能力 適應(yīng)用水 需求變化。（2）積分環(huán)節(jié)：積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。比例 P被控對象積分 I微分 D驅(qū)動r(t) d(t)u(t)— —y(t)圖 51 控制系統(tǒng)原理框圖圖中 u（t）為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量PID 控制規(guī)律為 （52）])()(1[)( dteTtteKtDIP???式（52）中， —比例系數(shù)； —積分時間常數(shù)； —微分時間常數(shù)。這段程序設(shè)計時要充分考慮動作的先后關(guān)系及互鎖保護。具體起動哪一臺主泵，進(jìn)入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個狀態(tài)，按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作。即由狀態(tài) S11 轉(zhuǎn)入 S0 的過程。(6)PLC 在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的。(3)梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0”態(tài)。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的 PLC 編程語言，易于學(xué)習(xí)和掌握。從輔助泵切換到主泵條件：滿足 X2；從主泵切換到輔助泵條件：同時滿足 XX3；增泵條件：同時滿足 XX2；減泵條件：同時滿足 XX3。224本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有 10 種有效供水狀態(tài)，見表 41表 41 系統(tǒng)供水狀態(tài)用水量 狀態(tài)符號 供水狀態(tài)小 S0 輔助泵運行，3停機S20 1變頻運行，3停機S21 2變頻運行，3停機較小S22 3變頻運行，2停機S23 1工頻運行，2變頻運行，3停機S24 2工頻運行，3變頻運行，1停機較大S25 3工頻運行，1變頻運行，2停機S26 2工頻運行，3變頻運行S27 3工頻運行，1變頻運行大S28 1工頻運行，2變頻運行各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見圖 41：25圖 41 供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程。當(dāng)系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時，水壓仍過高時，延時 5 分鐘后，關(guān)閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。系統(tǒng)工作于 1 號工頻、2 號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。根據(jù)城區(qū)用水量可分為小、較小、較大和大四種情況，并分別由輔助泵、一臺主泵變頻、兩臺主泵一工一變及三臺主泵兩工一變投入運行。如果電源是電纜引入，則應(yīng)做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設(shè)備 [10]。（6） 在電氣設(shè)計和軟件設(shè)計中，充分考慮電氣設(shè)備之間的互鎖關(guān)系。（4） 變頻器和 PLC 均要可靠接地。（1） 變頻器和 PLC 應(yīng)安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風(fēng)環(huán)境和散熱，PLC 四周留有 50 mm 以上的凈空間。表 32 變頻器接線及功能設(shè)定變頻器端子 現(xiàn)場器件與接線端子 功能代碼 參數(shù)預(yù)置 注釋FWD PLC的Y0端子 啟動/停止變頻運行CM PLC的COMX1 PLC的Y16 E01 7 PLC 的 Y16 動作，自由停車Y2 PLC的X1 E21 1 頻率極限信號輸出30A PLC的X5 變頻器故障總報警信號30C PLC的COM 接公共端F03 50 最高輸出頻率（Hz）F15 上限頻率（Hz）F16 30 下限頻率（Hz）F23 10 起動頻率F17 100 頻率設(shè)定信號增益 PLC 的選型PLC 的選型主要從 PLC 的輸入 /輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入/ 輸出接口模塊類型等方20面來選擇 PLC 型號。（2） 上限頻率：實際預(yù)置需略低于額定頻率 50Hz。② 功能特點風(fēng)機、泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專用型變頻器；可選用自動和手動的轉(zhuǎn)矩提升功能，保證最佳的啟動；加速時間設(shè)定范圍寬（ 秒到 3600 秒） ，具有 S 形加減速功能和曲線加減速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌；直流制動功能，制動時間在 030 秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動，不需要外接電阻；內(nèi)置 PID 模塊，可用于閉環(huán)控制；多種頻率設(shè)定方式；多種附加功能；三路晶體管輸出。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。Ik—電流波形的修正系數(shù)，對 PWM 方式，取 ～ ；—變頻器的額定容量（kVA） ；CNP18—變頻器的額定電流（A） 。壓力表測量范圍 0～1MP，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4～20mA 電流信號，送給變頻器作為 PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。HL0 為自動運行指示燈。中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn) [6]。在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。14變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U 、V 、W）的相序，否則無法工作。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 33 所示。 恒壓供水電控系統(tǒng)組成（1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機提供工頻及變頻電源。供水系統(tǒng)如圖 32 所示。 總體設(shè)計方案確定調(diào)速方式如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運行效率高、功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點，因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是實現(xiàn)恒壓供水轉(zhuǎn)速控制最佳方案。11 供水系統(tǒng)的方案確定 供水系統(tǒng)的流量類型根據(jù)用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。圖中，曲線①是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關(guān)系為： 1=Uf常 數(shù)式中： —變頻器輸出電壓、 —變頻器輸出頻率1 1f頻率 f 從額定值 往下調(diào)時，電機機械特性變化情況如圖 31 a）所示 [5]，圖中Nf4321fN??10 a)變頻調(diào)速機械特性 b)全壓起動 圖 31 電動機機械特性變頻調(diào)速過程的特點：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。但適應(yīng)流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。9三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為: (32)39。 變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止 [4]。6H210HFE 1n20 2Q1D 3?2?1圖 22 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： 。在這一點，用戶的用水流量 和供水系統(tǒng)的供水流量 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，Uc也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H 越大，流量 Q 也越大。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。非線性用戶管網(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)是一個非線性系統(tǒng)。(3)變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)3面對日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡單。后來增加了微機和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化程度。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 70 年代起，國內(nèi)外的很多專家，學(xué)者就開始嘗試將計算機技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設(shè)計及供水系統(tǒng)控制等方面。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 Variable Velocity Variab le frequency。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，增強了系統(tǒng)的可靠性。論文分析了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機理。I摘 要隨著改革開放的不斷深入，我國中小城市的城市建設(shè)及其經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人民的生活水平不斷提高；同時，城市需水量日益加大，對城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求。通過對變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取 PID 調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。并與計算機實現(xiàn)了有機的結(jié)合，提升了系統(tǒng)的總體性能。 Constantp ressurewatersupply。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動機的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。目前，國內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動控制技術(shù)不少，其特點是變頻技術(shù)與