【正文】 要。面板可以直接顯示壓力反饋值(MPa)。供水系統(tǒng)采用變頻供水技術(shù)可改善供水水質(zhì)，且自動(dòng)化程度高，又是國(guó)家節(jié)能推廣技術(shù)，但若選擇使用不當(dāng)，又會(huì)造成電能浪費(fèi)，因此設(shè)計(jì)人員在方案確定之前應(yīng)根據(jù)用水性質(zhì)、用水特點(diǎn)、用水規(guī)模、設(shè)備投資等因素綜合考慮，在保證可靠供水前提下，充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力。 手動(dòng)模式：按照工作人員的自由操作，可以只啟動(dòng)水泵電機(jī)組的任何水泵電機(jī)； 自動(dòng)模式：（1）自動(dòng)輪換（2）備用自投（3）先啟先停（4）故障檢測(cè)和指示方案一: 這四臺(tái)水泵電機(jī)直接啟動(dòng),無(wú)變頻調(diào)節(jié)作用. 按照“先啟先停”、“備用自投”運(yùn)行,這個(gè)方案主要沒有變頻調(diào)節(jié)作用,這樣對(duì)水資源不能合理的分配利用,會(huì)浪費(fèi)電力,這個(gè)方案僅對(duì)用戶需求流量較為穩(wěn)定的情況應(yīng)用.方案二: 由三臺(tái)主泵和一個(gè)變頻泵構(gòu)成，三臺(tái)主泵按照“先啟先停”、“備用自投”運(yùn)行，具有變頻調(diào)節(jié)作用,相對(duì)地合理的分配利用水資源,相對(duì)節(jié)約了電力,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)較為合理的解決方案.本課題主要采用方案二,后面我們將做詳細(xì)的介紹. 本文研究的內(nèi)容 本文介紹可編程控制器(PLC)為控制核心，施耐德公司的ATV38系列帶內(nèi)置 PID 功能的變頻器為執(zhí)行元件，采用PID算法控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可調(diào)節(jié)出口管網(wǎng)壓力，使之達(dá)到用戶期望的恒定壓力。第二章 恒壓供水原理及工藝 任務(wù) 用PLC，變頻器，壓力傳感器及低壓部件組成PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng)達(dá)到工藝要求的性能指標(biāo)。主泵組 供水主泵組主要由DL型立式多級(jí)離心泵、DFL型立式多級(jí)管道離心泵或DFP型屏蔽式管道離心泵和以槽鋼和鋼板焊接制成的鋼制基礎(chǔ)構(gòu)成，一般由四臺(tái)同一型號(hào)的水泵組成。穩(wěn)壓泵組 穩(wěn)壓泵組主要由三臺(tái)主泵和一個(gè)變頻泵構(gòu)成，三臺(tái)主泵按照“先啟先停”、“備用自投”運(yùn)行，其變頻泵供水揚(yáng)程大于或等于主泵的供水揚(yáng)程。系統(tǒng)由水泵機(jī)組、變頻柜、壓力儀表、管路系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)控制25KW水泵4臺(tái)。PID調(diào)節(jié)器：該給水設(shè)備采用四臺(tái)水泵，由可編程控制器定時(shí)切換。傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的 PID 調(diào)節(jié)器輸入口 AI2+ 、 AI2 ，而壓力設(shè)定即可以使用變頻器的鍵盤以數(shù)字量的形式設(shè)定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入 AI1+ 、 AI1 。由于 PID 運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì) 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。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。如果還是供水不足時(shí)， 3臺(tái)主泵都啟動(dòng)，變頻水泵電機(jī)起著對(duì)流量調(diào)節(jié)。當(dāng)無(wú)液位浮力開關(guān)信號(hào)（為OFF）時(shí)，此系統(tǒng)水泵電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。2 采用進(jìn)口變頻器及相關(guān)元器件，設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)便，性能可靠，全自動(dòng)運(yùn)行無(wú)人值守。4 自由設(shè)定管網(wǎng)壓力，按實(shí)際用水量來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使其始終處于高效運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；采用多臺(tái)小功率水泵電機(jī)成泵組代替大功率泵更能適合流量的急劇變化，避免“大馬拉小車”現(xiàn)象，節(jié)能效果更為顯著。5 由變頻器或軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)水泵軟起動(dòng)軟停止，使電網(wǎng)和管網(wǎng)免受沖擊；無(wú)水錘現(xiàn)象，大大降低設(shè)備運(yùn)行噪音，延長(zhǎng)相關(guān)設(shè)備的使用壽命。7 直接向用戶供水，水質(zhì)無(wú)二次污染。9 控制程序化，可按用戶需要實(shí)現(xiàn)多種控制方式。10 管網(wǎng)常壓供水，可避免外露管路凍裂；可按需要任意調(diào)節(jié)設(shè)備供水壓力，滿足用水高峰期建筑頂層的水壓要求。它應(yīng)用大規(guī)模集成電路、微型機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展成果，逐步形成具有多種優(yōu)點(diǎn)和微型、小型、中型、大型、超大型等各種規(guī)格的PLC系列產(chǎn)品，應(yīng)用于從繼電器控制系統(tǒng)到監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的許多過程控制領(lǐng)域。初期的PLC只是用于邏輯控制場(chǎng)合，代替繼電器控制系統(tǒng)。目前，可編程序控制器既保留了原來可編程序邏輯控制器的所有優(yōu)點(diǎn)，又吸收和發(fā)展了其他控制裝置的優(yōu)點(diǎn)，包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、過程儀表控制系統(tǒng)、集散系統(tǒng)、分散系統(tǒng)等。 可編程控制器的特點(diǎn)1．可靠性高。2．控制功能強(qiáng)。3．編程方便，易于使用。PLC可取代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對(duì)老設(shè)備的技術(shù)改造。5．具有各種接口，與外部設(shè)備連接非常方便。7．維修方便。8．可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運(yùn)行情況，隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行在線修改，不用更改硬接線，靈活性大，適應(yīng)性強(qiáng)。輸入接線端是PLC與外部的開關(guān)、按鈕、傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)等連接的端口。每個(gè)輸入繼電器可以有無(wú)窮多個(gè)內(nèi)部觸點(diǎn)(動(dòng)合、動(dòng)斷形式均可)(這里使用的是計(jì)算機(jī)的“COPY”概念)，供設(shè)計(jì)PLC的內(nèi)部控制電路(即編制PLC控制程序)時(shí)使用。內(nèi)部控制電路實(shí)際上也就是用戶根據(jù)控制要求編制的程序。而梯形圖是從繼電器控制的電氣原理圖演變而來的，PIC程序中的動(dòng)合、動(dòng)斷觸點(diǎn)、線圈等概念均與繼電器控制電路相同。3．輸出部分 這部分的作用是驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電源接在輸出公共端(COM)上。 二、PLC的工作過程 PLC一般采用循環(huán)掃描方式工作。開始運(yùn)行之后，串行地執(zhí)行存貯器中的程序，這個(gè)過程可以分為如下四個(gè)階段。如出現(xiàn)異常情況，則通過自診斷給出故障信號(hào)，或自行進(jìn)行相應(yīng)的處理，這將有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)或提前預(yù)報(bào)系統(tǒng)的故障，提高系統(tǒng)的可靠性。 2．執(zhí)行外圍設(shè)備命令階段 當(dāng)有簡(jiǎn)易編程器、圖形編程器、打印機(jī)等外部設(shè)備與PLC相連時(shí)，則PLC在每次循環(huán)時(shí)，都將執(zhí)行來自外部設(shè)備的命令。 4．輸入、輸出更新階段 PLC的CPU在每個(gè)掃描周期進(jìn)行一次輸入來進(jìn)行輸出更新。這種對(duì)輸入、輸出狀態(tài)的集中處理過程，稱為批處理，這是PLC工作的重要特點(diǎn)。PLC工作時(shí)，上述過程周而復(fù)始，稱為掃描周期。掃描時(shí)間地長(zhǎng)短取決于系統(tǒng)的配置、I／O通道數(shù)、程序中使用的指令及外圍設(shè)備的連接等，循環(huán)中每個(gè)階段所需的時(shí)間加在一起就是掃描時(shí)間。對(duì)P型機(jī)來說，這部分時(shí)間是固定的，即:tl＝ (2)輸入，輸出更新時(shí)間t2。這部分時(shí)間可按下式計(jì)算：t2＝(ms) 其中N為輸入通道數(shù)減1。 (3)程序執(zhí)行時(shí)間t3。把程序中使用的所有指今的執(zhí)行時(shí)間加在一起，就等于t3。當(dāng)有外部設(shè)備與PLC相連時(shí)，其處理時(shí)間可按下述方法確定。例如，當(dāng)t4=，則t4＝；若T4＝，則取t4＝2ms。 將上面四部分時(shí)間算出后相加，即為掃描時(shí)間T，即 T＝t1十t2十t3十t4 在PLC內(nèi)部，系統(tǒng)定時(shí)器（俗稱“看門狗”）一般在上電時(shí)設(shè)為130ms，當(dāng)掃描時(shí)間超過130ms時(shí)，CPU將停止工作。 四、PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間 用PLC設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)．必須知道有了一個(gè)輸入信號(hào)后PLC經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間才能有一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，否則，就不能正確并精確地解決系統(tǒng)各部件之間的配合問題。同理，暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號(hào)，也要等到下—個(gè)掃描周期的輸入、輸出更新階段，才能集中輸出給輸出部件。響應(yīng)時(shí)間是可變的，例如，在一個(gè)掃描周期的I／O更新階段開始前瞬間收到一個(gè)輸入信號(hào)，則在本周期內(nèi)該信號(hào)就起作用了，這個(gè)響應(yīng)時(shí)間最短，它是輸入延遲時(shí)間、—個(gè)掃描周期時(shí)間、輸出延遲時(shí)間三者之和。 PLC的I/O響應(yīng)時(shí)間(2) 變頻器的原理與特性(ATV38)變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)的主要儲(chǔ)能元件的不同可分為電壓型和電流型。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd,逆變器將直流Ud變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。電流型交一直一交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲(chǔ)能元件用的是電感而不是電容。(VVVF)原理當(dāng)在實(shí)際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)頻率f下降時(shí)，定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵(lì)磁電流比增大，因而磁通增大。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通可保持基本不變。怎樣實(shí)現(xiàn)VVVF是變頻器必須解決的重要課題之一。(1)脈幅調(diào)制(PAM)實(shí)現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，也改變直流電壓的振幅值。(2)脈寬調(diào)制(PWM)實(shí)現(xiàn)方法就是在每半個(gè)周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個(gè)脈沖波，每個(gè)脈沖的寬度為t1，每個(gè)脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。PWM只需控制逆變電路便可實(shí)現(xiàn)，與PAM相比控制電路簡(jiǎn)化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。(2)變頻調(diào)速的原理異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極對(duì)數(shù)。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速 (即所謂的“異步，’)。異步電動(dòng)機(jī)在額定頻率和電壓下直接啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組以同步轉(zhuǎn)速切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子電流都很大，故其啟動(dòng)電流可達(dá)額定電流的47倍。此外，由于啟動(dòng)過程過于快捷，常常對(duì)機(jī)械負(fù)載形成沖擊，影響其使用壽；在泵水管道系統(tǒng)中，還會(huì)引發(fā)水錘效應(yīng)，使管道受到損害。設(shè)定升速時(shí)間的基本原則:在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流不超過允許值的前提下，盡可能地縮短升速時(shí)間。在泵水管道系統(tǒng)中，由于水的阻尼作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠十分迅速地降下來，而不會(huì)引起再生制動(dòng)的過電流和過電壓，但是降速太快，會(huì)導(dǎo)致管道系統(tǒng)出現(xiàn)“空化現(xiàn)象”，對(duì)管道有害無(wú)益，甚至?xí)p害管道。: 設(shè)變頻后的頻率為，電壓為，電動(dòng)機(jī)的額定相電壓和頻率為和，則有＝＝其中為頻率可調(diào)比，為電壓可調(diào)比。這無(wú)疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點(diǎn)。V/F控制是其中一種比較簡(jiǎn)便的方法。其中:一空載轉(zhuǎn)矩，一空載時(shí)的功率損耗，和為比例常數(shù)。 ①機(jī)械特性 ②功率特性平方律負(fù)載主要是泵類和風(fēng)機(jī)，其工作特點(diǎn)是:(1)大多數(shù)在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)下工作，屬于連續(xù)恒定負(fù)載。(3)因?yàn)樨?fù)載轉(zhuǎn)矩是和轉(zhuǎn)速的平方成正比，所以一旦轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速，就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。(注:變頻調(diào)速(即f改變)瞬間時(shí)，負(fù)載特性曲線不變，轉(zhuǎn)速n不變，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩不變。電動(dòng)機(jī)要能夠穩(wěn)定運(yùn)行的條件是:升速時(shí)，；降速時(shí)，) V/F控制的概念:(1)基本思想針對(duì)時(shí)，當(dāng)頻率下降，在中所占的比例增大，造成了和下降的情況，采取適當(dāng)提高調(diào)壓比而使的方法，來抵償比值的增大，從而保持，最終使電動(dòng)機(jī)的臨界轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。矢量控制的成功實(shí)施，使得異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速后的機(jī)械特性以及動(dòng)態(tài)特性能達(dá)到足以和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的調(diào)速性能相媲美，從而使異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速領(lǐng)域全方位地處于優(yōu)勢(shì)地位。根據(jù)一個(gè)三相交流的磁場(chǎng)系統(tǒng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場(chǎng)系統(tǒng)，以兩相系統(tǒng)作過渡，可以相互進(jìn)行等效變換的原理，所以將變頻器的給定信號(hào)變換成類似直流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)系統(tǒng)的控制信號(hào)，也就是說，假設(shè)有兩個(gè)互相垂直的直流繞組同處于一個(gè)旋轉(zhuǎn)體上，兩個(gè)繞組中分別獨(dú)立地通入由給定信號(hào)分解而得的勵(lì)磁電流信號(hào)和轉(zhuǎn)矩電流信號(hào)，并且和作為基本控制信號(hào)，則通過等效變換，可以得到與基本控制信號(hào)等效的三相交流控制信號(hào),去控制逆變電路。進(jìn)行矢量控制時(shí)，可以和直流電動(dòng)機(jī)一樣，使其中一個(gè)磁場(chǎng)電流信號(hào)不變，而控制另一個(gè)磁場(chǎng)電流信號(hào)，從而獲得和直流電動(dòng)機(jī)類似的控制功能。 矢量控制基本設(shè)想電流反饋用于反映負(fù)載的狀況，使直流信號(hào)的轉(zhuǎn)矩分量能隨負(fù)載而變，從而模擬出類似于直流電動(dòng)機(jī)的工作狀況?，F(xiàn)在許多新系列的變頻器設(shè)置了“無(wú)反饋矢量控制”功能，這里“無(wú)反饋”是指不需要由用戶在變頻器外部另行設(shè)置反饋環(huán)節(jié)。 ATV38的特性我們采用的變頻器是施耐德（Schneider）公司的Altivar 38 異步電動(dòng)機(jī)變頻器，簡(jiǎn)稱ATV38。Altivar 38 設(shè)計(jì)用于工業(yè)或商用建筑中的加熱、通風(fēng)以及空氣調(diào)節(jié) (HVAC) 方面的現(xiàn)代化應(yīng)用場(chǎng)合。大量的集成化選件可讓它與電氣設(shè)備和復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行適配和集成。Altivar 38 的成品可直接用于泵類和通風(fēng)應(yīng)用中。Altivar 38 用于泵 / 通風(fēng)應(yīng)用的專用功能有：□ 節(jié)能□ 使用速度檢測(cè)自動(dòng)捕捉旋轉(zhuǎn)負(fù)載 (飛車起動(dòng))□ 根據(jù)速度調(diào)整電流限制□ 快 / 慢、預(yù)置速度□ 內(nèi)置 PID 控制，帶有預(yù)置 PID 給定□ 電氣和運(yùn)行時(shí)間儀表□ 電機(jī)降噪Altivar 38 的保護(hù)功能有:□ 使用 PTC 熱傳感器的電機(jī)和風(fēng)扇熱保護(hù)□ 連續(xù)運(yùn)行中防過載和過電流的保護(hù)□ 通過頻率跳躍功能進(jìn)行的對(duì)設(shè)備的機(jī)械保護(hù)□ 通過多重故障狀態(tài)管理和可配置警報(bào)進(jìn)行的保護(hù)同時(shí)，Altivar 38 還容易集成到控制系統(tǒng)中，它配備了:4 個(gè)邏輯輸入，2 個(gè)繼電器輸出， 2 個(gè)模擬輸入和 1 個(gè)模擬輸出 ；插入式 I/O 接頭 ；電氣參數(shù)顯示及運(yùn)行指示 ；內(nèi)置EMC濾波器，內(nèi)置制動(dòng)單元；變頻器中標(biāo)準(zhǔn)配置一個(gè)符合 Modbus 協(xié)議的 RS485 多點(diǎn)串口連接。因此，Altivar 38 變頻器具有歐盟認(rèn)可的標(biāo)志。變頻器在接線時(shí)，必須接地。變頻器的接線方式如上圖所示輸入方面，主電路的電源端子LLL3通過線路帶漏電保護(hù)的斷路器連接至380V的三相交流電源。對(duì)所有位于變頻器附近的或連接在同一電路上的專門電路如繼電器、接觸器、電磁閥、熒光燈等均應(yīng)安裝干擾抑制器。如果電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不對(duì)，則說明連接相序有錯(cuò)，則改變U、V、W中的任意兩相的接線。變頻器系統(tǒng)應(yīng)連接專用接地極，不要和別的系統(tǒng)串聯(lián)接地或共同接地?！?主要性能有：（電源地與信號(hào)地隔離），特別適合變頻器應(yīng)用場(chǎng)合 1/2位LED數(shù)字顯示 （交流220V / 直流24V）（0～10 mA / 4～20Ma）： 0～600Ω