【正文】 .....28 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 ..........................................................................29結(jié) 論 .......................................................................................................................31附 錄 .......................................................................................................................32致謝 .........................................................................................................................34參考文獻 .................................................................................................................3511 緒 論 課題背景及意義隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀從 20 世紀 70 年代起，國內(nèi)外的很多專家，學者就開始嘗試將計算機技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設(shè)計及供水系統(tǒng)控制等方面。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用繼電接觸器控制電路，是與開關(guān)量邏輯控制技術(shù)結(jié)合，通過人工啟動或停止水泵和調(diào)節(jié)泵出口閥來實現(xiàn)恒壓供水。后來增加了微機和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動化程度。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，通過變頻技術(shù)調(diào)速。變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡單。如希望集團推出的恒壓供水專用變頻器。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 (1)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高。同時維護操作也越來越簡單，部分新品的變頻供水只需簡單設(shè)定壓力值就可以正常運行，控制軟件和其它參數(shù)在出廠時就已設(shè)定或利用傳感器自動獲取完畢。(3)變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)3面對日益復雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點現(xiàn)有變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點:滯后性供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。非線性用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。時變性在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(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，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下仍能進行供水。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(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 f(Q)，如圖 21 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。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程U與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f（ ） 。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H 越大，流量 Q 也越大。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Q 之間的關(guān)系 H=f（ ） 。在這一點，用戶的用水流量 和供水系統(tǒng)的供水流量 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，Uc也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。而揚程則從 上升到 ，運行工況點從 E 點移到 F 點，此時水泵輸出0H1功率用圖形表示為(0, ,F, )圍成矩形部分，其值為 [1]：21 （21）02=DQPgh當用調(diào)速控制時，若采用恒壓( )，變速泵( )供水，管阻特性曲線為 ，揚程特性0H2n2?變?yōu)榍€ ，工作點從 E 點移到 D 點。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： 。 （23）21=Q221()HN321=()P式中 Ql、HP1 為變速前的流量、揚程、功率， 、H P 2 為變速后的流量、揚程、Q功率。6H210HFE 1n20 2Q1D 3?2?1圖 22 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(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 [3]。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止 [4]。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。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。 壓強過低又會導致管子的癟塌。產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。通過水泵電動機的軟起動，可減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此，選擇好的起動方式和速度調(diào)節(jié)方法，可以減小或徹底消除水錘效應(yīng)，提高供水系統(tǒng)運行的安全性。通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式 [5]： （31）160()(1)fnssp=式中， —異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，r/min；1nn —異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；p —異步電動機磁極對數(shù)；f —異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；s —轉(zhuǎn)速差， 1=0%nS180。 變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。9三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為: (32)39。2=3 semCUPIrP該損耗和電機的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。但適應(yīng)流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用 于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關(guān)系為： 1=Uf常 數(shù)式中： —變頻器輸出電壓、 —變頻器輸出頻率1 1f頻率 f 從額定值 往下調(diào)時，電機機械特性變化情況如圖 31 a）所示 [5]，圖中Nf4321fN??10 a)變頻調(diào)速機械特性 b)全壓起動 圖 31 電動機機械特性變頻調(diào)速過程的特點：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用 (1)消除水錘效應(yīng)，減少對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。圖中，曲線①是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性。(3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。11 供水系統(tǒng)的方案確定 供水系統(tǒng)的流量類型根據(jù)用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就有一定的流量。 總體設(shè)計方案確定調(diào)速方式如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運行效率高、功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點，因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是實現(xiàn)恒壓供水轉(zhuǎn)速控制最佳方案。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)如圖 32 所示。供水系統(tǒng)的恒壓是通過壓力變送器、PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的。 恒壓供水電控系統(tǒng)組成（1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機提供工頻及變頻電源。（3） 變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測信號，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動頻率等信號；并能實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 33 所示。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。14變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U 、V 、W）的相序，否則無法工作。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來操作，不得以主電路空氣開關(guān) QF2 的通斷來進行。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。圖 34 給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計?？刂齐娐分羞€考慮了電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示的設(shè)計，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn) [6]。在手動狀態(tài)，通過按鈕 SB1SB14 控制各臺泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。在自動狀態(tài)時，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。HL0 為自動運行指示燈。16圖 35 電氣控制線路圖 系統(tǒng)主要配置的選型水泵機組的選型根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮到用水量類型為連續(xù)型高流量變化型，確定采用 3 臺主水泵機組和 1 臺輔助泵機組，設(shè)備選用型號及參數(shù)見表 31。壓力表測量范圍 0～1MP，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4～20mA 電流信號，送給變頻器作為 PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機連續(xù)運轉(zhuǎn)時，變頻器容量（kVA）應(yīng)同時滿足下列三式 [7