【正文】 P11S系列有它內(nèi)在的性能以及功能，即動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制、帶PG反饋更高的性能的控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)大大減小、新方式在線自整定系統(tǒng)、優(yōu)良的環(huán)境兼容性。高性能和多功能的理想結(jié)合，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制，具有PG反饋更高性能的控制系統(tǒng)，新方式在線自整系統(tǒng)，能使電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)脈動(dòng)大大減小，更方便了使用的鍵盤面板，適應(yīng)了各種環(huán)境的結(jié)構(gòu)。功率大于75KW以上的，有自帶直流電抗器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U／f控制變頻器。 這三個(gè)公式是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器容量(kVA)應(yīng)同時(shí)滿足下列三式： PCN≥kPMηcosφ（KVA） （31） PCN≥k√3UmIm10﹣179。Y系列電動(dòng)機(jī)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。 Y系列電動(dòng)機(jī)容量和安裝尺寸符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求。型號(hào)及參數(shù)見表3．1所示： Y系列臥式電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù)同步轉(zhuǎn)速1500r/min （4極） 50HZ型號(hào)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(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪音低、振動(dòng)小、運(yùn)行可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本文以某小區(qū)的實(shí)際生活用水的數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，該小區(qū)生活用水具體要求為： 1) 由多臺(tái)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍600㎡/h^，揚(yáng)程60米左右，出水口水壓大小為O．4MPa； 2) 設(shè)置一臺(tái)小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時(shí)波動(dòng)要??； 3) 系統(tǒng)能自動(dòng)可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動(dòng)功能，各主泵均能可靠地實(shí)觀軟啟動(dòng)； 4) 具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能，系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要配置的選型 水泵機(jī)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(bào)警、控制等量輸出上位機(jī)、組態(tài)等變頻器壓力、流量等傳感器人機(jī)界面軟啟動(dòng)、自耦變壓器水泵機(jī)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(jī)組、變頻器 2)PLC及擴(kuò)張模塊 3)壓力變送器及數(shù)顯儀 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。 所謂延時(shí)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(jī)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(shí)間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求?？紤]到只有當(dāng)變頻器的輸出頻率在上下限頻率時(shí)才可能發(fā)生切換，并且上限頻率時(shí)不可能減泵，下限頻率時(shí)不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進(jìn)行判別如圖2．5表示。相應(yīng)的判別條件是通過對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。同時(shí)，在切換過程和變頻器從啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變(其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況)，那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同。并且使新投入運(yùn)行機(jī)組幾乎在變頻器輸出頻率的下限運(yùn)行，對(duì)供水作用很小。 判別條件可簡(jiǎn)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(duì)于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況：輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會(huì)使輸出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)降低。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到OHZ。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力， 同時(shí)使機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)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。這些操作都是由PLC自動(dòng)控制完成的。切除工頻泵時(shí)，先關(guān)閥，在停車。關(guān)閥后停車，水泵電機(jī)基本上處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)，到600ms時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換過程是：先關(guān)該臺(tái)水泵電動(dòng)閥，然后變頻器停車（方式為自由停車），水泵電機(jī)慣性運(yùn)轉(zhuǎn)，考慮到電機(jī)中的殘壓，不能將電機(jī)立即切換到工頻，而是延時(shí)一段時(shí)間，到電機(jī)中的殘壓下降到較小值，這個(gè)值保證電源電壓與殘余電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小，在水廠160KW水泵電機(jī)的切換時(shí)間為600ms。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到50Hz或52Hz時(shí)，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為52Hz，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在52Hz時(shí)是否超載。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同4步。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開啟后，若實(shí)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。 5)當(dāng)系統(tǒng)中只有1臺(tái)調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運(yùn)行頻率已降至下限頻率時(shí)，且滿足關(guān)泵條件，此時(shí)關(guān)閉調(diào)速泵。 4)當(dāng)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(shí)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(xì)的闡述)時(shí)，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行的水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重1新達(dá)到設(shè)定值。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(yùn)行。 2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，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(gè)新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，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(gè)新的穩(wěn)定值。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用交頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇心們；本文采用前者。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。此信號(hào)來自在安裝于水源處的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；液位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。水壓信號(hào)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(hào)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因：用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)；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；以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí)(如：夜間)可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音：在用水量不太大時(shí)，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運(yùn)行，這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的PLC通過編程來實(shí)現(xiàn)。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少：其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便； 其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來配置變頻器容量，減少投資。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。水泵變頻軟起動(dòng)沖擊電流小，也有利于電機(jī)泵的壽命，此外水泵在低速運(yùn)行時(shí)，平穩(wěn)、噪聲小。流量Q100%50%t（時(shí)） 2 3 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 a）連續(xù)型（全流量變化型）流量Q100%50%t（時(shí)） 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 b)連續(xù)型（高流量變化型）流量Q100%50%t（時(shí)）2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c）連續(xù)型(低流量變化型)t（時(shí)）流量Q100%50%2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 d）間歇型 本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，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(diǎn)，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。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I／O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過Pc機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。但開發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求j結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下幾種方案可供選擇: 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： G（s）=keτsTs+1 （28） 式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，τ為系統(tǒng)滯后時(shí)間2．2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 供水系統(tǒng)的控制流程及其控制流程圖 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。 變頻恒壓控制原理圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 如前文所述，由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖2．3中可以看出，在系統(tǒng)