【正文】 切換過(guò)程是：。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(kāi)啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開(kāi)啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過(guò)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(kāi)啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開(kāi)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) 際水壓蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 25 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(guò)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(guò)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(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)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(lái)自在安裝于水源處的液位傳蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 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(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)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(wú)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(lái)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(guò)編程來(lái)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(lái)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。 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 Q 100% 50% t（時(shí)） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 b)連續(xù)型（高流量變化型） 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c）連續(xù)型 (低流量變化型 ) 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(wú)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(guò) Pc機(jī)來(lái)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(kāi)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(lái)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(guò)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： （ 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。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 20 圖 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(guò)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)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出 頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。 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(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。； =（ （ 27） 式中 Ql、 H P1為變速前的流量、揚(yáng)程、功率， Q H2,P2為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量 Q、揚(yáng)程 H、功率 P與轉(zhuǎn)速 N之間關(guān)系為： = 。而揚(yáng)程則從 H0上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E點(diǎn)移到 F點(diǎn)，此時(shí) 水泵輸出H H2 H1 H0 E n2 D F β 1 β 3 n1 0 Q2 Q1 Q 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 19 功率用圖形表示為 (0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： （ 24） 當(dāng)用調(diào) 速控制時(shí)，若采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 β 2， 揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，工作點(diǎn)從 E點(diǎn)移到 D點(diǎn)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。因此，揚(yáng)程特性將 水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開(kāi)度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。閥門控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù) p不變時(shí)，電機(jī) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n與定子電源頻 率 f成 正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 Qu和供水系統(tǒng)的供水流量 Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc之間的關(guān)系 H=f（ Qc） 。由圖可知，在同一閥門開(kāi)度下，揚(yáng)程 H越 大，流量 Q也越大。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H=f（ Qu） 。由圖 2． 1可以看出，流量 Q越大，揚(yáng)程 H越小。論文介紹了計(jì)算機(jī)和 PLc通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。從用戶的需求入手確定合適的設(shè)備選型；詳細(xì)分析全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種工況及其轉(zhuǎn)換過(guò)程，討論 PLc的程序設(shè)計(jì)方法及程序執(zhí)行特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設(shè)計(jì)方案；在介紹 PID調(diào)節(jié)原理的基礎(chǔ)上，分析利用 PID調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)恒壓供水的調(diào)節(jié)過(guò)程，給出 PID參數(shù)設(shè)置方法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。具體而言 ，論文包括以下內(nèi)容： 1)論文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法； 2)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；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。 4)減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小 軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長(zhǎng)。而采用變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： 1)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是：水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應(yīng)，所謂的水錘效應(yīng)就是在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲 ，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。 6)可擴(kuò)充性：水泵的電氣控制柜，具有遠(yuǎn)程和就地控制的 功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。 5)容錯(cuò)性：當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 (如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等 )時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。 3)多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)及其安全性討論 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合，在本文中主要應(yīng)用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1)滯后性：供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量 (如：溫度、流量、 濃度等 )一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。這種編程方法是在傳統(tǒng)繼電器梯形圖基礎(chǔ)上進(jìn)行一定演變而形成的，突出了各編程原件之間的邏輯關(guān)系。