【正文】 如圖 42 中的 0～ t1 段 （ 2）用水量增加時 當(dāng)用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號 y 減少，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。其實現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個目標(biāo)壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的模擬電流信號反饋 給變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力 QG和用水需求 QU之間的乎衡。 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程分析 變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG適應(yīng)用水 QU需求變化。為此實際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達(dá)式為 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié) 25 1[ ( ) ( 1 ) ] ( ) [ ( ) 2 ( 1 ) ( 2 ) ]pDK e k e k K e k K e k e k e k? ? ? ? ? ? ? ? ? （ 45） 式 ()中， ()uk? 表示調(diào)節(jié)器輸出的控制增益，IDI TTK = K p K = KT PP T。 用一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式： 0( ) { ( ) ( ) [ ( ) ( 1 ) ] }kDDp jTTu k K e k e j e k e k?? ? ? ? ?? （ 44） 式 (44)中， T 表示采用周期， k 表示采用序號， e(k)表示 第 k 時刻的偏差信號， e(k1)表示第 k1 時刻的偏差信號， u(k)表示第 k 時刻的控制量。 數(shù)字 PID 控制算法 [20][21] 自從計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。 PID 的三種作用是相互獨立，互不影響。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) T1， T1 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。直到系統(tǒng)偏差為零。 （ 2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。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) K 的增大而減少。 比例 P微分 D積分 I 驅(qū)動 被控對象 r ( t ) e ( t ) u ( t )d ( t )y ( t )廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 24 （ 1）比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差 e (t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 PID 控制規(guī)律為： p 11 ( )u ( t ) = K [ ( ) ( ) ]D d e te t e t d t TT d t??? （ 42） 式（ 42）中， Kp 表示比例系數(shù)； T1 表示積分時間常數(shù)； TD 表示微分時間常數(shù) 。 系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41。具有以下優(yōu)點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。 PID 控制及其控制算法 在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional（比例）、 Integral（積分）、 Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件 。 設(shè)定壓力 實際壓力Δ Pd / 2減泵下限頻率增泵設(shè)定壓力 實際壓力上限頻率廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 22 經(jīng)過上面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為 ： 增泵條件 ： f = UPf 2dsf PPP ??? 并且延時判別成立 減泵條件： f = LOWf 2dSf PPP ??? 并且延時判別成立 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(xué)模型 。 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(jìn)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(jìn)行實際的機組切換操作 。這兩種情況有一個共同的特點，即創(chuàng)門維持的時間短，只能夠使機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。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(dāng)前機組的運行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。 圖 35 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(dāng)實際的供水壓力比設(shè)定壓力小 △ Pd/2的時候才允許進(jìn)行機組增加 。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)。所以，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實需要機組進(jìn)行切換的時候才進(jìn)行機組的切換。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 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 21 于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命 [16]。可以預(yù)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分切出崢再投入分再切 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。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，此時又滿足了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。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(jìn)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。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。 從上面的分析可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)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。這個頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，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。因為當(dāng)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(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)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。另外，變頻器的輸出廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 20 頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是 0HZ。當(dāng)變頻器的輸 出頻率已經(jīng)到達(dá) 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。當(dāng)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(jìn)行。當(dāng)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(dá)到恒壓的目的。當(dāng)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。當(dāng)最后一臺水泵三號泵 投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機 一號泵 切換至工頻電網(wǎng)供電后，一號泵 恒速運行，同時使第二臺水泵 二號泵 投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 當(dāng)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(dāng)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。其需要完成的控制流程如圖 所示 。人機界面還可以對系統(tǒng)的運廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 18 行過程進(jìn)行監(jiān)示，對報警進(jìn)行顯示。 人機界面 人機界面是人與機器進(jìn)行信息交流的場所。 (3)電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成 對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jìn)行控制。 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)備三個部分。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器。 (2)液位信號 :它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測。 信號檢測 在系 統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號 : (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。 RST變頻器UVW一號泵 二號泵 三號泵 輔助泵Q 0 . 0Q 0 . 3Q 0 . 1 Q 0 . 4 Q 0 . 2 Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 7L 1L 2L 3KM 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 17 (4)輔助 泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時 (如 :夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音。 (2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。 (3)輔助 小泵 :它只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況 下 (例如 :夜間 )對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補充。 (1)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的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖 供 水 控 制 器（ P L C ）變 頻 器電 控 設(shè) 備液 位 傳 感 器1 號 泵2 號 泵3 號 泵輔 助 泵壓 力 傳 感 器清 水 池 圖 32 系統(tǒng)控制方框圖 廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 16 圖 33 系統(tǒng)組成 電氣 原理圖 從上面的原理 圖和 框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由 泵組 、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面等部分組成。 由于 有 良好的人機界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運行狀態(tài)更直觀。由于 PLC 和上位機具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。 為了提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在變頻器 +PLC 控制的基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計算機。由于 PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便， 便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計 從恒壓供水的原理分析可知，系 統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送器、PID 電機 水泵反饋電壓+U fP變頻器U * 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 15 恒壓控制單元及低壓電器等。當(dāng)用水量減少時，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf變大，即 U*小于 Uf時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設(shè)定值 U*相等。供水壓力 P 作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制 系統(tǒng)。如圖 所示，變頻器是電機變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實現(xiàn) n 的變化，從而達(dá)到無級調(diào)速的目的。用水少而供水多，則壓力大。 廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 14 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 變頻恒壓控制原理