【正文】 足增加水泵的條件時，在變頻固定式的控制方式下，系統(tǒng)將變頻器的輸出的頻率降為下限頻率的同時開啟一臺恒速水泵。開始啟動運行滿足小水泵運行條件實際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報警輸出執(zhí)行輔助控制執(zhí)行升壓控制N oY e sY e sN oY e s N oN o Y e s壓力設(shè)定報警信號有效Y e sN o圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說明如下:系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵一號泵(可以是二號泵，也可以是三號泵 ，這里以一號泵為例) ，通過恒 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號泵的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號泵工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制流程整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號的狀態(tài)、按照系統(tǒng)的控制流程、通過孿頻調(diào)速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制實現(xiàn)恒壓供水目的。通過人機界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/ 自動切換及就地/ 集中等工作。變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機。(2)變頻器:它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。(1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。(3)報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行戶以 D 轉(zhuǎn)換。(5)在用水量不太大時，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運行，這樣可以提高水泵的運行壽命，同時降低系統(tǒng)的功耗，達到節(jié)能的目的。(3)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)運行可靠性。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個原因 :]19[(1)用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵，使水泵選型容易，同時這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)。當水泵采用循環(huán)的控制方式時，一、二、三號泵既可以做調(diào)速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的控制方式時，一、二、三號泵中有且只有一臺可以調(diào)速泵，其余兩臺為恒速泵或停止狀態(tài)。水泵組水泵組用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 4 個水泵分為三種類型。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計算機”的模式 [13]。當控制要求改變時，利用編程軟件很容易進行程序的修改和下載。采用 PLC，由于其本身抗干擾能力強，系統(tǒng)可靠性高，且由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種要求和規(guī)格不同的控制系統(tǒng)。同時由于 PLC的抗干擾能力強、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本文采用 PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，自動補償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸?？傊?，根據(jù)反饋控制原理，最終達到的平衡狀態(tài)使實際供水壓力和設(shè)定期望壓力相等。在運行中，當用水量增大的時候，水管道內(nèi)壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進行調(diào)速，使電機的轉(zhuǎn)速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設(shè)定壓力 U*對應(yīng)的期望壓力值相等。測量元件用壓力變送器，U *為恒定壓力供水設(shè)定值。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低。通過對電機的幾種調(diào)速方式的分析比較，采用變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水，能夠提高系統(tǒng)的可靠性，降低能耗。根據(jù)揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時系統(tǒng)穩(wěn)定運行。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID 調(diào)節(jié)器等。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 13變電路反饋到工頻電源的諧波電流。實現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。因此，通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動機供電頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。這些方法的共同特點是:在調(diào)速過程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制。改變電機的極對數(shù)調(diào)速相當困難，這會使電機結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而且不能實現(xiàn)無級調(diào)速。廣東石油化工學院本科畢業(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12根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機的轉(zhuǎn)速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調(diào)速方法由公式 ()可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)調(diào)速。異步電動機的同步轉(zhuǎn)速為: （22）106fn=p其中 n0是異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，f 1是異步電動機的電源頻率，p 為異步電動機的極對數(shù)。這種調(diào)速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價格比。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點如圖 所示，理想運行特性曲線為直線 H*ABC。 而電動機調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來變更水泵的工況點，使其流量與揚程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，從而達到節(jié)能的效果。如圖 24，當用戶所需用水流量由 QA 減小至 QB，當轉(zhuǎn)速下降時，揚程特性變?yōu)榍€ 3，管阻特性仍為特性曲線 2，故工作點從 A 點移動到 C 點，在 C 點流量減小為 QB，而揚程減小為 HC，供水功率與面積 0ECHC 成正比。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。此時，管阻特性由曲線 2 變?yōu)榍€ 4，水泵的工況點則沿著水泵特性曲線由 A 點移至 B 點，此時流量減小了，但揚程卻由 HA 增大到 HB。泵的初始工作點在 A 點，水泵提供的揚程、流量恰好與管路所需得揚程、流量相等。這時管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。而流量的大小又取決于揚程，實際運行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個工況點，需要根據(jù)實際情況進行控制，因此要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手，即工況點的調(diào)節(jié)方法，常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [9][10]：(1) 閥門控制法圖 24 管網(wǎng)和泵運行曲線閥門控制法屬于節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而泵的轉(zhuǎn)速保持不變。 水泵的工作點調(diào)節(jié)對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運行管理中的一個重要問題 [9]。一旦當水泵和管阻特性中的一個參數(shù)或所有參數(shù)同時發(fā)生變化時，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。從圖中可以看出，水泵在工作點 A 點提供的揚程和管路所需的揚程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到流量和能量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。如果把某一水泵揚程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標系中(圖 23)，則這兩條曲線的交點A 就是水泵的工作點。水泵在實際運行時的工況點取決于水泵性能管路性能以及所需實際揚程。管阻特性的起始揚程等于靜揚程 HA，如果全揚程小于靜揚程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚程也是能夠供水的“基本揚程” 。實際上是表明當閥門開度一定時，為了提供一定流量的水所需要的揚程，因此這里的流量可以理解為“供水流量” ，用 Q 表示.所以管阻特性的函數(shù)關(guān)系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小(Q=Q 1)時，所H12 A1 A2Q1Q2Q廣東石油化工學院本科畢業(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8需揚程也較小(H=H 1)，如點 B1。通常用揚程與流量間的關(guān)系曲線來描述。因此，揚程特性反映了用戶的用水需求對全揚程的影響。當流量越大時，管道中的摩擦損失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系統(tǒng)的全揚程就越小。(1) 揚程特性在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚程 H 隨用水量 Q 變化曲線H=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖 21 所示。(6) 壓力 pP 表示供水系統(tǒng)中某個位置或某個點水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動態(tài)情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關(guān)。(5) 轉(zhuǎn)速 n 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 7轉(zhuǎn)速 n 是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。損失揚程是全揚程與實際揚程之差,即 :總揚程= 實際揚程+損失揚程(3) 功率水泵功率有兩種:有效功率 PM 和軸功率 PN。水泵總揚程包括把水上揚到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。因此把水從一個位置“上揚”到另一位置時，用水位的變化量(即水位差) 代表揚程。 使水流具有一定流速所需的能量。揚程主要包括三個方面:提高水位所需的能量。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量要求。(1) 流量 Q水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量兩種。7）以組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計工控機監(jiān)控程序。4）設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實用性的控制方案。本文研究的目標是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。通過前面對傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。由于具有自動化程度高、高效節(jié)能、安全衛(wèi)生、維護方便等特點，在小區(qū)供水和工廠供液供水控制中得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的控制效果和社會效 [5]。(3)變頻供水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)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，最大限度的提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題，目前，在美國，日本，法國等地的有些城市己基本上實現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計算機優(yōu)化。 變頻恒壓供水的發(fā)展趨勢(1)變頻恒壓供水目前正向集成化，維護操作簡單化方向發(fā)展在國外專門針對供水的變頻器集成化越來越高，很多專用變頻器集成了 PLC和 PID，甚至將壓力變送器也融入變頻組件，同時維護操作也越來越簡單，部分新品的變頻供水只需簡單設(shè)定壓力值就可正常運行，控制軟件和其他參數(shù)在出廠時就已設(shè)定，或利用傳感器自動獲取完畢。(4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。(2) 特殊種類工業(yè)需要恒壓控制的用水如冷卻水循環(huán)、熱力網(wǎng)水循環(huán)、鍋廣東石油化工學院本科畢業(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4爐補水等。在故障發(fā)生時，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)而執(zhí)行專門的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進行供水。 （5） 控制靈活分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。 （4） 聯(lián)網(wǎng)功能采用全中文工