【正文】 號泵供水，開始用變頻運(yùn)行。 全自動變頻恒壓控制方式系統(tǒng)正常工作時，我們采用全自動變頻恒壓控制方式。由于PID控制技術(shù)已非常成熟，并且能夠滿足樓宇供水的技術(shù)要求，因此，在此設(shè)計中，我采用此方法來實現(xiàn)恒壓供水自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的過程建模和控制的設(shè)計都是自動進(jìn)行，每個采樣周期都更新一次。這類自適應(yīng)控制系統(tǒng)的基本思想是在系統(tǒng)中加入對象參數(shù)的遞推估計器，并根據(jù)對象估計參數(shù)設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)。主要方法是采用自校正調(diào)節(jié)器(STR)。 自適應(yīng)控制法除了模糊控制之外，自適應(yīng)控制也是處理被控對象的時變性和不確定性的重要方法。 模糊控制法模糊控制是處理復(fù)雜非線性系統(tǒng)的有效方法之一，已成為供水行業(yè)研究的熱點。目前國內(nèi)多數(shù)的供水系統(tǒng)采用這種控制方式。對于小型或用水量變化不大的供水系統(tǒng)，PID控制是常用的控制方式。 變頻恒壓供水常用實現(xiàn)方法介紹在目前的恒壓供述系統(tǒng)中，常采用以下方法實現(xiàn)。用戶用水量大時，管網(wǎng)壓力下降，變頻器頻率就升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，反之頻率下降，水泵減速運(yùn)行，從而維持恒壓供水[4]。它包括總體方案設(shè)計、工作原理、主要設(shè)備選取和工作流程規(guī)劃四部分。PLC上接工控計算機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動多臺電動機(jī)的啟動、運(yùn)行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。并且對水泵的運(yùn)行方式做出分析，以及在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)重視的關(guān)鍵問題做出總結(jié)，最后列舉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點。根據(jù)揚(yáng)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(yùn)行。系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，減少啟動電流對電網(wǎng)的沖擊的同時減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè)備的使用壽命。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運(yùn)行）是時時發(fā)生的，同時定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。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)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水，該系統(tǒng)具有以下特點：供水系統(tǒng)的控制變量是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量（如溫度、流量、濃度等）一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。即采用鑒頻鑒相技術(shù)對變頻器的輸出電壓進(jìn)行跟蹤，當(dāng)變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時，實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間的同步平穩(wěn)切換，是多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。國內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面，大多采用延時、降壓啟動的控制方式，但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動過大。最嚴(yán)重的情況是出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為l80o時，電機(jī)的反電勢將與電網(wǎng)電壓疊加，造成很大的電壓沖擊和過電流。當(dāng)電機(jī)功率較大時，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致，而且兩者的相位也必須相同。這兩種看法都不免有失偏頗，但未找到詳細(xì)資料。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費用，常采用一臺變頻器拖動多臺電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。采用變頻器帶動電機(jī)從零速開始啟動，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時變頻器同時承擔(dān)了軟啟動的任務(wù)。綜上所述，合理的調(diào)、定速容量配比為1: ，按照上述方法的對固定泵進(jìn)行投切控制，不僅可以促使水泵最大可能地運(yùn)行在高效區(qū)，而且，使定速泵投入后調(diào)速水泵有充分的余地進(jìn)行調(diào)節(jié)，上調(diào)及下調(diào)幅度均為其額定容量的30%左右，供水系統(tǒng)不易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象。如果綜合水泵運(yùn)行效率考慮，調(diào)速泵流量具有向上、下限相等的調(diào)節(jié)范圍(上限為100%，下限為40%)，顯然無論在定速泵退出或投入時， 調(diào)速泵的流量取中間值 70%最合適， 即定速泵流量為調(diào)速泵的30%。另外，在這種情況下， 定速泵投入運(yùn)行后， 很顯然運(yùn)行效率很低， 起不到節(jié)能效果。通常，采用調(diào)速水泵作為主泵，當(dāng)它的供水量達(dá)到額定水量的100%時，水泵的運(yùn)行速度已經(jīng)達(dá)到最大值，不能再提高，如果供水量繼續(xù)增大，供水壓力將下降，到一定程度定速水泵投入運(yùn)行，如果調(diào)速泵與定速泵的容量配比為1: 1，則定速泵投入運(yùn)行后，供水量固定為100%，此時調(diào)速泵的供水量設(shè)為ΔQ， 這個ΔQ在某些情況下約為(5%～10%)。 變頻泵與固定泵容量配比問題由于調(diào)速裝置造價高、維護(hù)復(fù)雜，多數(shù)供水系統(tǒng)配備均為一調(diào)(調(diào)速水泵)多定(定速水泵)，而且調(diào)速泵與定速泵容量相差不大，很多恒壓供水裝置的配備都是1:1，這樣做主要存在以下缺點:第一，造成供水系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定:第二，調(diào)速泵運(yùn)行效率很低。特別是通用變頻器和異動電機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)對生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動控制，其具有固定的優(yōu)勢，應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，可以體現(xiàn)不同的功能，收到相應(yīng)的效益。當(dāng)1水泵不能滿足用水需求時（也就是管網(wǎng)壓力小于與設(shè)定值時），PLC將啟動2工頻泵（1變頻泵仍舊變頻運(yùn)行）；如用水量繼續(xù)增大時，將順序啟動3工頻泵（1變頻、2工頻、3工頻）；如果用水量減小，則將首先關(guān)閉2泵，即遵循先開先停的順序依次關(guān)閉工頻泵。壓力傳感器檢測水管的流水壓力，將水壓變換為電信號，控制變頻器的工作。所有水泵電機(jī)從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現(xiàn)帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊，相對延長了電機(jī)的使用壽命。具體系統(tǒng)采用3臺水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，當(dāng)用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力要求時，變頻器的控制信號被PLC檢測，通過PLC控制泵組的切換。系統(tǒng)正常運(yùn)行時，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，傳輸至變頻器，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號和工頻泵啟停信號，此信號送至可編程控制器，變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率，進(jìn)而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，PLC 控制工頻泵的啟停。 變頻循環(huán)方式切換下面就上述工作方式進(jìn)行舉例討論。變頻泵固定方式通常是這樣的：當(dāng)用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量， 由一臺變頻泵恒壓供水；當(dāng)用水量增大， 變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升；當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速， 用水流量進(jìn)一步增大， 由變頻供水控制器控制， 自動啟動一臺工頻泵投入， 該工頻泵提供的流量是恒定的( 工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量) ， 其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入；當(dāng)用水量下降， 變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降( 變頻器輸出頻率下降)；當(dāng)頻率下降到零流量的時候， 變頻供水控制器發(fā)出一個指令， 自動關(guān)閉一臺工頻泵使之退出并聯(lián)供水。在變頻器停止運(yùn)行的條件下， 在其輸出端進(jìn)行切換，在切換好后再重新啟動變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。變頻循環(huán)軟啟動工作方式指用一臺變頻器可以輪流去啟動和控制每臺水泵變頻運(yùn)行， 但是按照變頻器工作原理， 在運(yùn)行中的變頻器一般不允許在其輸出端進(jìn)行切換，否則在切換過程中會使變頻器中的某些電子器件受到大電流的沖擊而降低其壽命。從節(jié)能考慮，并聯(lián)水泵的臺數(shù)愈多愈好，但是如數(shù)太多，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也隨之上升，系統(tǒng)（設(shè)備）的整體經(jīng)濟(jì)、合理性下降。采用多泵并聯(lián)給水，按變頻調(diào)速恒壓給水原理，在多泵并聯(lián)的給水系統(tǒng)中，只要其中有一臺是變頻調(diào)速泵，就可以達(dá)到恒壓給水的目的。理論分析及實際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。如果采用臺泵，當(dāng)小流量用水時必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時水泵的效率低，功率浪費大。當(dāng)采用變頻調(diào)速時，則泵的高效率區(qū)擴(kuò)大，因此采用變頻調(diào)速可以節(jié)能。要達(dá)到建筑給水節(jié)能，首先要求給水泵處于高效率區(qū)工作。這種準(zhǔn)變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。采用變壓變量給水可以做到使節(jié)流損耗降低到零，具有最佳的節(jié)能效果，但是這種變壓變量給水系統(tǒng)只適用于特點是給水管路系統(tǒng)，沒有通用性。當(dāng)多泵并聯(lián)恒壓供水系統(tǒng)采用具有自動睡眠功能的變頻器，當(dāng)用水流量接近于零，變頻泵能自動睡眠停泵，從而可以做到不用水時自動停泵而沒有能量損耗，具有最佳的節(jié)能效果。變頻恒壓供水中，在設(shè)計上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變（因工況不變），使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知，在該系統(tǒng)中只需要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，便可實現(xiàn)恒壓變量供水。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費用。~，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，功率因數(shù)接近1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。例如:一臺水泵電機(jī)功率為55，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，%。根據(jù)水泵運(yùn)行的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為: ；； (219)式中，、為變速前的流量、揚(yáng)程、功率；、為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實際所需的性能以及泵與管網(wǎng)性能的匹配情況，以此作為水泵節(jié)能依據(jù)。水在管道輸送時，受到管網(wǎng)阻力的作用。每臺水泵只有在原設(shè)計工況點時，泵的使用效率才為最高點，偏離這個工況點效率就會降低。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。⑶ 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理?？梢姡诨l以下實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍比較大，即使考慮低頻下的影響，仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水變化較大的場合。③恒壓變頻供水系統(tǒng)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)實際輸出轉(zhuǎn)矩的配合。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，變頻調(diào)速運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速之差將不變，轉(zhuǎn)矩特性（穩(wěn)定運(yùn)行段）在運(yùn)行方式下，當(dāng)不同時，它為一族平行的曲線。在變化時，電機(jī)的端電壓必須與頻率成正比變化，才能保持必不變，即 （24）電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （25）式中，為電動機(jī)的磁極對數(shù)；，為定子每項繞組的電阻和額定頻率下的漏抗；為轉(zhuǎn)差率，即 （26）式中，為某一頻率下的同步轉(zhuǎn)速，即 （27）令，求得電動機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩為 (28)在變頻調(diào)速過程中，保持，也就是保持氣隙磁通近似為常數(shù)，若令，則，此時的電磁轉(zhuǎn)矩 （29）相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 (210)式中，；為額定頻率下的同步轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，為了使電動機(jī)的運(yùn)行性能好，勵磁電流和功率因數(shù)應(yīng)基本保持不變，即希望氣隙磁通保持不變，若(為額定運(yùn)行時的磁通)，將引起電機(jī)磁路過分飽和而使勵磁電流增加，功率因數(shù)降低；若，必將使電機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)的功率將得不到充分利用,因此，變頻調(diào)速一般應(yīng)使氣隙磁通保持不變。水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即 (22)式中，為比例常數(shù)。電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時實際輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載的需要來決定，在不同的轉(zhuǎn)速下，不同的負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的，調(diào)速方法和控制特性應(yīng)適應(yīng)負(fù)載的要求。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速就是根據(jù)這一原理，通過改變電源的頻率值來實現(xiàn)水泵電機(jī)的無級調(diào)速。目前，水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （21）其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速；為電源頻率；為轉(zhuǎn)差率；為電機(jī)的級對數(shù)。在三、四十年代，電機(jī)調(diào)速理論和技術(shù)已在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始研究和應(yīng)用，如通過改變電機(jī)的磁極對數(shù)、利用發(fā)電機(jī)改變交流電源的頻率值、在轉(zhuǎn)子電路中加入調(diào)速變阻器或磁性放大器等方法對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。目前，許多國家均己指定流量—壓力控制必須采用變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，這將大大的節(jié)省能源與降低成本[2]。因此，推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。造成這種狀況的主要原因是風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的傳統(tǒng)調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中。水泵轉(zhuǎn)動的越快，產(chǎn)生的水壓越大，才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高的樓層。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o變頻器。壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常設(shè)在泵站的出水口。在鍋爐和其他燃燒油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環(huán)境的污染。其優(yōu)點是啟動平穩(wěn)，啟動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免啟動時對電網(wǎng)的沖擊。第二種方法是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量，增加轉(zhuǎn)速下降，流量降低。保持供水的壓力恒定，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。水壓高了，才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高樓層。一般在水源離用水場所較遠(yuǎn)的場合，需要管道的輸送。在這一點，用戶的用水流量QV和供水系統(tǒng)的供水流量QG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QG之間的關(guān)系H=f(QG)。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程越大，流量也越大。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(QV)。由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的總體軟件流程、在STEP7環(huán)境下開發(fā)的泵組切換程序、變頻器參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。3. 供水系統(tǒng)硬件