【正文】 在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖21中交點(diǎn)。 供水系統(tǒng)的基本特性曲線對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。如前所述，流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在流體壓力的變化上。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。從上式可知，當(dāng)極對數(shù)p不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速刀與定子電源頻率戚正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。由于實(shí)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(yáng)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(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，用多少水，抽多少水，水泵的效率不變，總處于最佳狀態(tài)[3]。而發(fā)展到現(xiàn)在為止交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并自動適應(yīng)變負(fù)荷的條件?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式可節(jié)電40％～60％，節(jié)水15％～30％，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動補(bǔ)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(shí)現(xiàn)恒壓供水[6]。各部分功能如下：（1）水泵用來提高水壓以實(shí)現(xiàn)向高處供水；（2）安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號；（3）變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量；（4）PLC用于水泵的邏輯切換、控制等；（5）外圍輔助電路可以當(dāng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)供水。通過壓力傳感器檢測管道壓力信號不斷反饋給變頻器，有變頻器自動調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時還不能滿足要求時由PLC自動把那臺水泵切換到工頻運(yùn)行，把變頻器自動切換到下一臺水泵使其軟啟動運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時在自動進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動控制。系統(tǒng)總體框圖如下： 系統(tǒng)總體框圖從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。①PLC系統(tǒng):它是整個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。（2）信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測水壓信號反饋信息和系統(tǒng)報(bào)警信號。②報(bào)警信號:監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，為開關(guān)量信號。（4）報(bào)警裝置任何一個自動控制系統(tǒng)，都離不開報(bào)警裝置。 供水系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)流程圖如圖23所示。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為PLC進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。將手動、自動開關(guān)打到自動上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(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。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動下1臺泵變頻運(yùn)行。增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)閘、3泵。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。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，同時變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為1泵。如果在晚間用水不多時，當(dāng)將最后一臺正在運(yùn)行的水泵置于低速運(yùn)行。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，此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。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。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。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)。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。這個頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。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，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。所謂延時判別，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間（比如12分鐘），如果在這一段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計(jì)算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量至關(guān)重要的。目前市場上的PLC種類繁多，近年來，從美國、日本、德國引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個系列，上百種型號。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。機(jī)型的選擇可從以下幾個方面來考慮。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍設(shè)備等幾大部分構(gòu)成。PLC的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要。(2)I/O點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)。把各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列出，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)出I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上加15%～20%的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。除決定好I/O點(diǎn)數(shù)外，還要注意輸入輸出信號的性質(zhì)、參數(shù)等。對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說，PLC的響應(yīng)時間不是主要的問題。PLC的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久時間小于掃描周期的輸入信號。(5)根據(jù)程序存儲器容量選型。PLC的程序步是由一個字構(gòu)成的，即每個程序步占一個存儲器單元。對于開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的字?jǐn)?shù)等于I/O信號總數(shù)乘以8。系統(tǒng)可靠性也是考慮的重要因素。小型PLC控制系統(tǒng)通常都選用價格便宜的簡易編程器。FX2N系列PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，具有較高的性能價格比，應(yīng)用廣泛。FX2N系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。實(shí)現(xiàn)時鐘可用于對信息加注時間標(biāo)記，記錄及其運(yùn)行時間或?qū)^程進(jìn)行時間控制。FX2N系列PLC 的技術(shù)指標(biāo)包括一般技術(shù)指標(biāo)、電源技術(shù)指標(biāo)、輸入技術(shù)指標(biāo)、輸出技術(shù)指標(biāo)和性能技術(shù)指標(biāo)等；FX2N系列PLC 的硬件配置包括基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊、模擬量I/O 模塊、各種特殊功能模塊及外圍設(shè)備等。PLC容量的選擇：PLC容量主要是指是PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常I/O點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留10%～15%點(diǎn)數(shù)備用量。控制起動和停止需要2個輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點(diǎn)，手動控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需1個輸入點(diǎn)，檢測電機(jī)是否過載需3個輸入點(diǎn)，共需15個輸入點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，本系統(tǒng)選用FX2N32MR型PLC。X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。在同時控制M1電動機(jī)的兩個接觸器KMKM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。 水泵機(jī)組選型工作水泵型號和臺數(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)逐時、逐日、逐季的用水量變化，要求的水壓，機(jī)組的效率和功率因素等確定。選泵時，首先要滿足供水系統(tǒng)的要求: (1)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度； (2)水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量； (3)水泵能力足以供應(yīng)最高用水量時的用水量，揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量； (4)水泵型號應(yīng)使泵站建筑面積和泵站的基礎(chǔ)埋深為最小，以降低泵站造價； (5)水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失； (6)安裝管理方便。因此在深埋式的地下泵站可優(yōu)先考慮立式泵，半地下式和地面式泵站可用臥式泵。在此設(shè)計(jì)中要求三臺主泵和主泵電機(jī)型號和容量要相同，這才有利于在同一變頻器下正常的工作。因此不可只從適應(yīng)水量的變化出發(fā)，使用數(shù)量較多的小泵。一般最優(yōu)的水泵臺數(shù)為3～6臺。水泵機(jī)