【正文】 水泵切換條件分析 在上述 分析 的 供水系統(tǒng)運(yùn)行過程 中 ，討論到 當(dāng)變頻泵己 經(jīng) 運(yùn)行在上限頻率， 且用戶管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 仍 低于 設(shè)定 水壓 ， 這 時(shí) 就必須 增加水泵 數(shù)量 來 達(dá)到 供水 需求 ， 完成 恒壓的目 標(biāo)，若 變頻泵和工頻泵都在 正常工作 且變頻泵己 經(jīng) 運(yùn)行在下限頻率，此時(shí) 用戶 管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 仍 超過 設(shè)定 水 壓 ，此時(shí) 必須通過 減少工頻泵來減少供水流量， 達(dá)到 恒壓的 要求 。 (4) 若實(shí)際 用水量 減少 水壓升高，變頻器的 實(shí)際 輸出頻率 已經(jīng)減小至 下限頻率，用戶管網(wǎng) 中 的 實(shí)際水壓仍 然超過 設(shè)定值， 而 且 達(dá)到了 減少水泵的 相應(yīng) 條件時(shí)，系統(tǒng) 使 工頻泵 M2 停 掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán) 控制 ，使壓力重新達(dá)到 原來的 設(shè)定值。 (3) 若實(shí)際 用水量 持續(xù)升高 ，變頻器的輸出頻率 等于 上限頻率時(shí)， 若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 還未達(dá)到設(shè)定 水壓 ， 而 且 達(dá)到 增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時(shí)，變頻基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 63 頁 循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將 會(huì) 在 PLC 的控制下自 行 投入水泵 M2 進(jìn)行變速工作 ，同時(shí)變頻泵 M1 作 工頻 運(yùn)行 ，系統(tǒng) 恢復(fù) 對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) 控制方式 ，直 至 水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 (2) 若 用水量增 大 水壓減小， 從 壓力變送器反饋的 壓力 信號(hào) 就會(huì) 減小， 進(jìn)而 偏差變大， PLC 的輸出信號(hào)變大， 從而 變頻器的輸出頻率 相應(yīng) 變大，水泵的轉(zhuǎn)速 加快 ， 系統(tǒng) 供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速 會(huì)達(dá)到另一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值 。 因?yàn)?電信號(hào)為 模擬量，故必須 利用 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入 并與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比 ，將比較后的 結(jié)果通過 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào) 利用D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)， 調(diào)節(jié) 變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 大小 ，進(jìn)而 調(diào)節(jié) 水泵的供水流量，最 后維持居民 供水管 網(wǎng) 上的 水壓穩(wěn)定 ，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水 目的 。所以，在 不同 特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng) 上 的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓 力上 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以 系統(tǒng) 出口管網(wǎng) 水壓 為控制目標(biāo)，在控制上 達(dá)到 出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水 壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。 作為 一個(gè) 完整的 控制系統(tǒng)，報(bào)警 模塊 是 不可或缺 的重要組成部分。供水控制器直接 通過 對(duì)系統(tǒng)中的壓力、報(bào)警 等 信號(hào)進(jìn)行 檢測(cè)收集 ，對(duì)來自人機(jī) 及 通訊接口的 綜合信息采取 分析、實(shí)施控制算法， 獲得 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制 方式 ， 利用 變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行 相應(yīng)的 控制；變頻器是對(duì)水泵 采取 轉(zhuǎn)速控制的 基礎(chǔ) 設(shè)備 ， 它通過 跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào) 調(diào)整 調(diào)速泵的 工作 頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制 過程 。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng) 絕大數(shù)情況下都 安 置 在供水控制柜 里 ， 它主要 包 含 供水控制器 (PLC 系統(tǒng) )、變頻器 及 電控設(shè)備三個(gè) 模塊 。信號(hào) 正常 時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行相應(yīng)的 保護(hù)控制，以 避免 水泵 出現(xiàn) 空抽 現(xiàn)象 而 導(dǎo)致 電機(jī)和水泵 損壞 。 管網(wǎng)水壓 信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)， 須 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 過程 。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制 環(huán)節(jié) 中， 必須采集許多關(guān)鍵 信號(hào) 包括 管網(wǎng)水壓信號(hào)、基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 63 頁 水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。這種 控制方 式 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 滿足 系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。該系統(tǒng)能 滿足 各類 不同要求的恒壓供水 情形 ，并且與供水機(jī)組的容量 范圍沒有任何關(guān)系 。在硬件設(shè)計(jì) 過程中 ， 僅 需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線 即可 ， 若 控制要求發(fā)生 一定變化 ， 能夠輕松 地 利用 PC 機(jī)來 控制 存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 十分簡單 。 (3) 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 該 控制方式靈活 簡單 。 (2) 通用變頻器 +單 片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 該控制 方式控制精度 相對(duì)較 高、控制算法 靈活多變 、參數(shù)調(diào)整 十分容易 ，具 備優(yōu)越的性價(jià)比，但 研發(fā) 周期 比較 長，程序 一旦 固化， 不易改動(dòng) ，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性 變得非常之差 ， 并且當(dāng) 變頻器在 工作 時(shí)， 容易 產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生干擾越大，所以必須采取 一定 的抗干擾措施來 確保 系統(tǒng)的可靠性。 該控制系統(tǒng) 雖然 簡化了電路結(jié)構(gòu)， 降低 了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值 兩方面的顯示過程中又太過繁瑣 ， 不能 自動(dòng) 滿足各個(gè) 時(shí)段的不同恒壓 需 求， 進(jìn)行 調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu) 環(huán)節(jié)比較復(fù)雜 ，調(diào)節(jié) 幅度相對(duì)較 小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能 很難得到 保證。系統(tǒng)主要的 任務(wù) 是利用恒壓控制 模塊 使變頻器控制一臺(tái)水泵或控制多臺(tái)水泵， 維持 管網(wǎng)水壓的 穩(wěn)定， 同時(shí)還 應(yīng)具備 對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù) 實(shí)施 傳輸和監(jiān)控。 伴隨著 電力電子技術(shù)的 逐步成熟 ，已 開發(fā) 了各種性能 優(yōu)越 、 運(yùn)行穩(wěn)定 的變頻調(diào)速電源裝置，它們 推進(jìn) 了變頻調(diào)速技術(shù) 的廣泛應(yīng)用 。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就 能夠 平滑地 控制 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 以下重點(diǎn) 分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 水 泵電機(jī) 大 多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速公式為： ? ?spfn ?? 160 () 該 式中： f代表 電源頻率， p 代表 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)， s 代表 轉(zhuǎn)差率 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 調(diào)節(jié) 電機(jī)極對(duì)數(shù) 的 調(diào)控方式控制 相對(duì)簡單 ， 成本低 ，節(jié)能效果 十分顯著 ，效率 也相對(duì)較 高， 不足是必須有 專門的變極電機(jī)， 包含 有級(jí)調(diào)速，且級(jí)差 變化較 大 ，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速 改變相當(dāng) 大， 同樣 轉(zhuǎn)矩 變化也 大， 所以僅僅能滿足 特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn) 設(shè)備 。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制法是 通過控制 水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 大小從而改變 流量，而閥門開度 大小保持 不變，是通過 使 水的動(dòng)能 發(fā)生 改變 來控制 流量。根本實(shí)質(zhì) 是通過 控制管網(wǎng)中 的阻力大小來改 變流量，因此，管阻 隨著 閥門開度的 改變 而改變， 而 揚(yáng)程特性 保持 不變。 整個(gè) 供水 過程 中， 一般把 流量 作為 控制 對(duì)象 ， 普遍的控制方式有 閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。因此，供水系統(tǒng)變頻 從另一個(gè)性質(zhì)看也就是 異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 21 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門 是構(gòu)成 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的主要設(shè)備 。 圖中 揚(yáng)程曲線和管阻特性曲線的交 匯 點(diǎn)， 叫做 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 21 中 A 點(diǎn)。 變化 閥門的開度， 事實(shí) 上是改變了 特定 揚(yáng)程 條件 下，供水系統(tǒng) 對(duì)居民 的供水能力。而管阻特性 則 是水泵轉(zhuǎn)速 保持恒定的前提 下 ， 表征 閥門在某一開度下流量 Q 與揚(yáng)程 H 之間的關(guān)系曲線，如圖 21 所示。恒壓供水方式 具備較多優(yōu)點(diǎn)，如 水壓恒定、 實(shí)際操作方便 、 工作穩(wěn)定 、節(jié)約電能、自動(dòng) 控制 程度高，在泵站供水 工程 中可 完成下述諸多 功能： （ 1）維持水壓恒定 ； （ 2）控制系統(tǒng) 可以 手動(dòng) /自動(dòng)運(yùn)行 ； （ 3）多臺(tái)泵 可 自動(dòng)切換運(yùn)行 ； 基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 63 頁 （ 4）系統(tǒng)睡眠與喚醒，當(dāng)外界停止用水時(shí)，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直 到 有 用水需求時(shí)自動(dòng)喚醒 ； （ 5）在線調(diào)整 PID 參數(shù) ； （ 6） 泵組及線路保護(hù)檢測(cè)報(bào)警，信號(hào)顯示等 ； 節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性 的 前提 是讓 供水系統(tǒng)管路中的閥門 維持一定開度 ， 表征 水泵在特定 轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線，如圖 21 所示。變頻調(diào)速技 術(shù) 是基于 交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù) 的 一 類先進(jìn)科學(xué)技術(shù) ，它利用自身完美獨(dú)特的控制魅力征服了整個(gè)速度控制領(lǐng)域 ， 尤其在供水行業(yè) 。 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 系統(tǒng)概述和節(jié)能原理 系統(tǒng)概述 供水系統(tǒng)是 居民日常用水相當(dāng)重要的 系統(tǒng) 。 （ 4）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，水是萬物之源，農(nóng)作物的生長離不開水的供給。 （ 3）在工廠、企業(yè)中的應(yīng)用，眾所周知，對(duì)于一些企業(yè) 、工廠，水是生產(chǎn)工作的基礎(chǔ)，如果沒有穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，有可能使整個(gè)企業(yè)、工廠陷于癱瘓。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 63 頁 變頻恒壓供水的應(yīng)用 基于 PLC 技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的智能恒壓供水控制系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的供水技術(shù)更為先進(jìn)，更有運(yùn)行安全、操作簡單、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高、使用壽命長等特點(diǎn)，所以在實(shí)際的使用中也越來越廣泛，如在以下方面： （ 1）在家庭用水系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠保證在生活用水高峰期有穩(wěn)定的用水壓力、流量，也能夠在用水低峰期時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水壓強(qiáng)度。 （ 6）可以通過遠(yuǎn)程報(bào)警和通信控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。 （ 4）運(yùn)行合理，因?yàn)椴捎密浧鹋c軟停這種運(yùn)行方式，不僅能夠減少水錘效應(yīng)，而且能夠減少平均的扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修成本，還可以增加水泵的壽命。 （ 3）器件配置多種多樣，用戶可以根據(jù)自身的需求來設(shè)定自身的設(shè)備特點(diǎn)。 （ 2）占用空間小，不會(huì)造成空間上的浪費(fèi)。 5. 變頻恒壓供水系統(tǒng) 擁有全套安全的 保護(hù) 設(shè)施 ， 更 具有欠壓、過流、過載、過熱、缺相、短路等 保護(hù)電路 。 3. 變頻恒壓 式 供水 系統(tǒng)沒有水箱的設(shè)計(jì)，可以減少不必要的資金、資源的浪費(fèi)，還可以節(jié)省較大的空間結(jié)構(gòu)，減少安裝所帶來的不便，而且采用 變頻恒壓 式 供水 系統(tǒng)不會(huì)長期儲(chǔ)存水，減 少水與過程環(huán)境的接觸時(shí)間與空間，從而達(dá)到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點(diǎn)。 2. 減少了水泵高頻率的 啟動(dòng) 和 停止， 增長了 水泵 、電機(jī) 的使用壽命 。同時(shí)它可以調(diào)節(jié)供水管道的供水壓力，從而減少水壓對(duì)管道的沖擊。 變頻恒壓供水 的意義 所以現(xiàn)代化的的供水方式趨向于高效化、節(jié)能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，而變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)明與推廣，使之成為了可能。 傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的供水設(shè)備分為恒速泵加壓式、氣壓罐式、水塔高位水箱式等多少種方式，但是其普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動(dòng)化程度低、工作效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、維護(hù)檢修成本高的缺點(diǎn)。但是由于每天用水時(shí)間段不一樣，有時(shí)少，有時(shí)多，所以一味地片面提高供水水位會(huì)造成 能源的浪費(fèi)，而且還可能引發(fā)事故隱患。但是我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)普遍沒有跟上生活水平的快速進(jìn)步，如城市供水系統(tǒng)等。 附錄 C 中文翻譯 ...................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 ............................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 展望 .............................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 5 結(jié)束語和展望 ........................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型 ................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 PID 控制器參數(shù)整定 ................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本課題的主要研究內(nèi)容 ...............................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究成果 ........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展方向 ..................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。本系統(tǒng)是采用變頻器 實(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用 “先啟先停 ”的原則 ，避免了水泵的長時(shí)間運(yùn)行而造成電機(jī)的損壞和減少壽命，還增加了液位變送器的實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵進(jìn)水源防止水泵的空抽而損壞水泵電機(jī)和報(bào)警系統(tǒng)是反應(yīng)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否異常。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)利用 PLC、變頻器、壓力變送器和水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了 PLC 進(jìn)行邏輯控制，變頻器對(duì)水泵機(jī)組的調(diào)速。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要