【正文】 入點(diǎn)，共需 15個(gè)輸入點(diǎn)。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載。 熱繼電器 (FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)。 主電路接線圖 圖 24 水泵主回路接線圖 圖 3. 2 主電路圖 電機(jī)有兩種工作模式即：在工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。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 12分鐘），如果在這一段延時(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 。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低到 0Hz。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(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。 盡管通用變頻器的頻率都可以在 0400Hz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。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泉來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)最后一臺正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。 減泵工作過程：假定減泵順序依次為 1泵。在 PLC的邏輯控制下將 1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開， 1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與 2泵電機(jī)連接， 控制 2泵投入調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。 增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)?l、 3泵。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則 PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下 1臺泵變頻運(yùn)行。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持 在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。將手動(dòng)、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)， PLC中程序首先接通 KM6，并起動(dòng)變頻器。 (5)通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等 (6)報(bào)警裝置 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。通過人機(jī)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(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)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(dòng)切換等。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號進(jìn)行 采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制。 (3)控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 ② 報(bào)警信號 :它反映系統(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。它們用于在用水量增大而調(diào) 速泵的最大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖 3個(gè)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器(反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、無波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。如圖 所示。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便 。由于 PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 PID算法的編程，而且 PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。 4．新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切換卡；SANKEN的 SAMCO— I系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品；富士 公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品；等等。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個(gè) PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號 送入 PID回路調(diào)節(jié)器，由 PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。 3．帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器 (PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。 2．單片微機(jī)電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路， 但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。自來水廠送來的水先儲(chǔ)存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。這棟樓有 10 層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。 (7)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(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。在故障發(fā)生時(shí)，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。 (4)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 (包括定量泉的停止和運(yùn)行 )是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)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(shí)時(shí)變化的。 (2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)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。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。一、課題簡介 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供 水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。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)。 (3)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，因此其控制對象的模型具有很強(qiáng)的多變性。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、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)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連， 能對供水的相關(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)表打印等功能。 二、方案擬定 圖 供水流程簡圖 此次設(shè)計(jì)研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。 如圖 所示，是這棟小樓的供水流程。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或 PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來講。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加 設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這些產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。 考慮以上四種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第四種方案。 圖 2. 2 供水系統(tǒng)方案圖 三、變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 3. 1 系統(tǒng)原理圖 如圖 ，整個(gè)系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。 從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系 統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。 恒速泵 :水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報(bào)警信號 : ① 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。該信號為開關(guān)量信號。 ① 供水控制器 :它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 ② 變頻器 :它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。 (4)人機(jī)界面 人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場所。人機(jī)界面還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)示，對報(bào)警進(jìn)行顯示。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、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，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 工作原理 合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定 )與壓力實(shí)際值 (來自于壓力傳感器 )的偏差進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號送給 PLC， PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號，由程序判斷是否要起動(dòng)第 2臺泵 (或第 3臺泵 )。此時(shí) PID會(huì)繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。開始時(shí)， 1泵電機(jī)在 PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運(yùn)行，控制 3泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)供水壓力 大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于