【正文】 術(shù)簡介 國內(nèi)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)大中城市的水廠基本上都采用變頻恒壓供水方式，生產(chǎn)過程的重要參數(shù)可以實行自動監(jiān)測?，F(xiàn)代化水廠除了中心調(diào)度室和化驗室以外都可以做到無人值班。這些供水方式都需要將水提升到一個滿足最高層用戶用水的固定高度上，這樣，就有相當(dāng)一部分電能被浪費(fèi)。而在西方發(fā)達(dá)國家，以 PLC為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)已成為當(dāng)今水工業(yè)自動化系統(tǒng)的主流，其控制系統(tǒng)正向著智能化、分散化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。在國外,一個 10x10，m3/d 的水廠只需 3~5人管理。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集合了變頻技術(shù)、PLC 應(yīng)用、工控機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多方面的現(xiàn)代化技術(shù)，所以有較好的性能特點(diǎn)：（1）節(jié)能性恒壓供水技術(shù)通過變頻調(diào)速閉環(huán)控制方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對于閥門調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式來說，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應(yīng)，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約一定的電能，并能長期受益，并且由于電動機(jī)故障率的減少，設(shè)備壽命的延長，產(chǎn)品質(zhì)量的提高等等，都必將產(chǎn)生難以估計的經(jīng)濟(jì)效益。 （3） 運(yùn)行安全可靠水泵電機(jī)采用軟啟動方式，可以避免電動機(jī)啟動時的電流沖擊，減少對電網(wǎng)電，避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂而造成波動的影響，同時也避免了電動機(jī)突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。并且能夠累積每個站點(diǎn)的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統(tǒng)計。 （6）容錯性當(dāng)出現(xiàn)意外情況時，系統(tǒng)能根據(jù)水泵及變頻器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常的廣泛，其廣泛的應(yīng)用如下 [4]:(1) 高層建筑、城鄉(xiāng)供水小區(qū)、企事業(yè)生活用水。(3) 自來水廠增壓系統(tǒng)。(5) 各種液體恒壓控制系統(tǒng)。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過去變頻供水較少涉及高壓變頻系統(tǒng)，這也是系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，高一低一高型的高壓變頻系統(tǒng)，串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)目前已在實際應(yīng)用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問題己逐步得到解決?；赑LC 的變頻調(diào)速恒壓控制是現(xiàn)代供水控制系統(tǒng)的主要方式，它利用ＰＬＣ、傳感器、電氣控制設(shè)備、變頻器及水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使供水管網(wǎng)壓力保持恒定。 課題來源及本設(shè)計的主要內(nèi)容本課題來源于茂名市河?xùn)|水廠的實習(xí)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。本設(shè)計的主要內(nèi)容如下:1）通過揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和 第一章 緒論 5水泵的運(yùn)行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。3）研究 PDI 控制器的設(shè)計原理及方法。5）對變頻調(diào)速技術(shù)及可編程序控制器(PLC)進(jìn)行簡單介紹。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計6第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性 水泵的主要參數(shù)水泵主要工作參數(shù)有:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速以及壓力 [6]。以耐/s( 米 3/秒)、m3/h(米 3/小時 )、七/:(千克/秒)、t/:(噸/ 秒)等表示。(2) 揚(yáng)程水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，單位以 m計。克服水在管網(wǎng)中流動時所需的能量。其中提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。即水泵揚(yáng)程最終反映的是水泵供水高度。實際揚(yáng)程是通過水泵實際提高的水位所需的能量。有效功率 PM(KW)為泵內(nèi)液體實際所獲得的凈功率；軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時所需的外來功率，即由電動機(jī)傳給水泵軸上的功率。(4) 效率有效功率與軸功率的比值為效率 η （21 ）mnP=?水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。 水泵的供水特性水泵的供水特性包括揚(yáng)程特性和管阻特性 [7]。圖中 A1 點(diǎn)是流量較小(等于 Q1)時的情形，這時全揚(yáng)程較大，為 H1；A2 點(diǎn)是流量較大(等于 Q2)時的情形，這時全揚(yáng)程較小，為 H2。流量的大小取決于用戶，是“用水流量” 。圖 21 水泵的揚(yáng)程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等) 對水流阻力的物理量。管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量，它和閥門開度有關(guān)。反之，在供水流量較大(Q=Q 2)時，所需揚(yáng)程也較大(H=H 2)，如點(diǎn) B2。圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工作點(diǎn)確定水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運(yùn)行時所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù) [8]。這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會發(fā)生變化。H 1H2 A B1 B2Q1Q20HA A0 QA Q 管 阻 特 性 曲 線 揚(yáng) 程 特 性 曲 線 水 泵 效 率 曲 線 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 9圖 23 水泵的工作點(diǎn)的確定工作點(diǎn) A 是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 23 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 H、流量 Q 以及效率 η。實際運(yùn)行時水泵并非總是固定在 A 點(diǎn)。另外確定工況點(diǎn)一定要保證水泵裝置在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚(yáng)程 H 的乘積(如圖 23 中 0QAAHA 的面積)成正比。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。閥門控制法的實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水HBF HA c H0 B4123 閥 門 關(guān) 小 閥 門 開 大 額 定 轉(zhuǎn) 速 轉(zhuǎn) 速 下 降C 0 QBQAQ廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計10路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)，如圖 24 所示。當(dāng)用戶所需流量減少時，設(shè)從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關(guān)小來減少水泵出口水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會因管網(wǎng)過載而造成爆管的危險。供水功率與面積 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。(2) 轉(zhuǎn)速控制法轉(zhuǎn)速控制法屬于變速調(diào)節(jié)，是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變(通常為最大開度) ，轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變而管阻特性不變。兩種方法比較:由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量。但由于開環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，揚(yáng)程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實際工程需要。 三相異步電動機(jī)的調(diào)速 異步電動機(jī)調(diào)速原理變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機(jī)驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。三相異步電動機(jī)的調(diào)速是指在電動機(jī)負(fù)載不變的條件下，通過控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到用戶要求。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)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。(l) 變極調(diào)速改變定子極對數(shù)，可使異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 改變，從而得到轉(zhuǎn)106fn=p速的調(diào)節(jié)。(2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機(jī)等。(3)變頻調(diào)速當(dāng)極對數(shù) p 不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電動機(jī)的電源頻率 f1 成正比。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。整流電路 中間電路逆變電路控制電路M3 ~外部接線端子控制面板交流電源RST圖 26 交流變頻調(diào)速器的基本原理下面簡單介紹一下變頻器的工作原理:變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀 T 等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護(hù)電路構(gòu)成?？刂齐娐肥亲冾l器的控制中心，它可以根據(jù)外部接線端子、操作面板或者由上位機(jī)來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。操作面板是變頻器人機(jī)對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，或者修改變頻器的運(yùn)行參數(shù)。 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計14第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 變頻恒壓控制原理恒壓供水控制原理圖如 31 所示：圖31 閉環(huán)恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。 用水少而供水多，則壓力大。如圖 所示，變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的執(zhí)行者，只要改變 f 就可實現(xiàn) n 的變化，從而達(dá)到無級調(diào)速的目的。供水壓力 P 作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)用水量減少時，水管道內(nèi)壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即 U*小于 Uf 時，變頻器通過內(nèi)置 PID 進(jìn)行調(diào)速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，減小水流量，降低管道壓力，直到管道壓力 P 與期望壓力設(shè)定值 U*相等。 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送PID電 機(jī) 水 泵反 饋 電 壓+Uf P變 頻 器U* 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 15器、恒壓控制單元及低壓電器等。由于 PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。為了提高系統(tǒng)的控制靈活性和方便性，本系統(tǒng)在變頻器+PLC 控制的基礎(chǔ)上增加上位監(jiān)控計算機(jī)。由于 PLC 和上位機(jī)具有良好的通信功能，此系統(tǒng)方便與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。由于有良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡單，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更直觀。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方框圖和組成原理框圖供水控制器（ P L C ）變頻器電控設(shè)備液位傳感器1 號泵2 號泵3 號泵輔助泵壓力傳感器清水池圖 32 系統(tǒng)控制方框圖廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計16圖 33 系統(tǒng)組成電氣原理圖從上面的原理圖和框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由泵組、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。(1)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。(3)輔助小泵:它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。(2)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。RST變 頻 器UVW一 號 泵 二 號 泵 三 號 泵 輔 助 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 17(4)輔助泵的加入，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(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音。信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號:(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。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。(2)液位信號:它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器?？刂葡到y(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)備三個部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(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。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。(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。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)界面還可以對系廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計18統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)示，對報警進(jìn)行顯示。其需要完成的控制流程如圖 。當(dāng)用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)一號泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，一號泵恒速運(yùn)行，同時使第二臺水泵