【正文】 的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護功能，尤其是硬件 /軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。 本文共分 五 章，各章節(jié)具體安排如下： 第一章緒論，主要了概括 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及變頻恒壓供水系統(tǒng)原理概述 。 第二章主要是對恒壓供水系統(tǒng)的方案論證，選擇系統(tǒng)的控制方案；對控制系統(tǒng)進行組成分析，并確定控制系統(tǒng)組成。 第四章軟件系統(tǒng)設(shè)計，包括模塊程序設(shè)計、 PID 控制及其控制算法、采樣周期和控制周期的選擇。 [鍵入文字 ] 4 第 2章 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析和方案論證 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 ()fQ ，如下圖所示。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 uQ 間的關(guān)系。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如下圖中 A 點。 圖 21 供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為 11nns n?? （ 21） 異步電機的同步速度為 [鍵入文字 ] 5 60ff p? （ 22） 異步電機的轉(zhuǎn)速為 60 (1 )fnsp?? （ 23） 其中： 1n 為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速 n 為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 f 異步電機的電機的定子電源頻率 p 為異步電機的極對數(shù) 從上式可知，當極對數(shù) p 不變時，電機轉(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)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機的調(diào)速。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。而揚程則從 0H 上升到 1H ，運行工況點從 E 點移到 F 點，此[鍵入文字 ] 6 時水泵輸出功率用圖形表示為（ 0 ， 2Q ， F ， 1H ）圍成矩形部分，其值為： 12102F HQP ? ?? （ 24） 當用調(diào)速控制時，若采用恒壓 ( 0H )，變速泵 ( 2n )供水，管阻特性曲線為 2? ，揚程特性變?yōu)?2n ，工作點從 E 點移到 D 點。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后的流量 Q 、揚程 H 、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： 232 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1。 ( )Q N H N P NQ N H N P N? ? ? （ 27） 式中 1Q 、 H 、 1P 為變速前的流量、揚程、功率， 2Q 、 2H 、 2P 為變速后的的流量、揚程、功率。 變頻恒壓控制系統(tǒng)的數(shù)學模型及分析 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的 實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實 際供水壓力 [鍵入文字 ] 7 圖 23 變頻恒壓控制原理圖 提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測兼的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng) 的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。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起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。它雖然微轉(zhuǎn)速 給定參數(shù) 變頻器 （ PID） 水泵 管網(wǎng) 頻率 壓力傳感器 反饋參數(shù) 實際壓力 [鍵入文字 ] 8 化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。 2)通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā) 周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，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)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。 3)通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 IO的外部接線。同時由于 PLC 得抗干擾能力強、可靠性高、因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 通過對以上幾種方案的比較和分析，可以看出 “變頻器主電路 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 ”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。 確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案的基本依據(jù)是設(shè)計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點的用水需求，同時還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術(shù)要求。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。 [鍵入文字 ] 9 a）連續(xù)型（全流量變化形） b）連續(xù)型（高流量變化量） c）連續(xù)型（低流量變化性） d）間歇性 圖 24 用戶用水量變化類型 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、晚兩個時間段，平時處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，平穩(wěn)、噪聲小。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量 ：其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。 供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、 PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。為了減少對泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動蝶閥，開啟水泵后打開電動碟閥，當水泵停止時先關(guān)電動碟閥后停機。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：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)；供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，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)運行可靠性；附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時 (如：夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音：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。水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。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。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，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)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。 現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說明如下： 根據(jù)控制要求，水泵機組由四臺水泵組成。依次類推，直到第四臺水泵啟動。本系統(tǒng)水泵機組變頻恒壓控制流程如圖 23 所示。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力。 當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在 50Hz 時進行。當變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達 50Hz 時，即使實際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻變頻運行起使入口優(yōu)先權(quán)判斷1 泵變頻運行開始變頻啟動P 測 P 實 P 測 P 實P 測 P 實1 泵工頻運行2 泵工頻運行3 泵工頻運行4 泵變頻運行2 泵變頻運行1 泵工頻運行2 泵工頻運行3 泵變頻運行1 泵工頻運行2 泵變頻運行3 泵變頻運行4 泵變頻運行2 泵工頻運行3 泵變頻運行3 泵工頻運行4 泵變頻運行4 泵工頻運行1 泵變頻運行2 泵工頻運行3 泵工頻運行4 泵變頻運行3 泵工頻運行4 泵工頻運行1 泵變頻運行4 泵工頻運行1 泵工頻運行2 泵變頻運行2 泵工頻運行3 泵工頻運行4 泵工頻運行1 泵變頻運行3 泵工頻運行4 泵工頻運行1 泵工頻運行2 泵變頻運行4 泵工頻運行1 泵工頻運行2 泵工頻運行3 泵變頻運行P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實 P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實 P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實 P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實P 測 P 實 P 測 P 實P 測 = P 實延時 6 小時P 測 = P 實延時 6 小時P 測 = P 實延時 6 小時P 測 = P 實延時 6 小時延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S 延時 30 S延時 30 S 延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S 延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 S延時 30 SAA BBCC[鍵入文字 ] 12 器的輸出頻率了。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0Hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于 管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率遠大于 0Hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20Hz 左右。 從上面的分析可以看出，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時，存在的實際供水壓力 差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉?？梢灶A(yù)見，如果用水情況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 → 切出 → 再投入 → 再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。這樣的工作狀態(tài)無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。所以，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當在確實需要機[鍵入文字 ] 13 組進行切換的時候才進行機組的切換。 在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不