【正文】 等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 PLC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。 國內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。20世紀(jì)80年代初，日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。從20世紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。此后，日本廠商竟相研究矢量控制技術(shù)，并在產(chǎn)品性能和價(jià)格兩方面取得進(jìn)展；理論界則應(yīng)用現(xiàn)代控制理論把矢量控制的理論進(jìn)一步深化，取得了解耦控制、速度觀測(cè)、參數(shù)自適應(yīng)、無速度傳感器矢量控制等方面的理論成果。1985年，德國人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DSC)。最初，這種控制方法主要在高壓、大功率且開關(guān)頻率較低的逆變器控制中應(yīng)用；目前被應(yīng)用于通用變頻器的控制方法的一種改進(jìn)的、適合于高開關(guān)頻率逆變器的方法。國外在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方面特點(diǎn)為：市場需求量大；功率器件發(fā)展迅速；控制理論和微電子技術(shù)的支持。在現(xiàn)代自動(dòng)化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論，為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)；16位、32位高速微處理器以及信號(hào)處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手。我國電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始于1954年。現(xiàn)在，我國約有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。總之，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國外公司的依賴還很嚴(yán)重。 2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎空白。 4)產(chǎn)品可靠性及工藝水平低。由于PLC采用了“三機(jī)一體化一的綜合技術(shù)即集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電氣控制于一身，具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，因而與其它控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市場的要求：再加上PLC發(fā)展過程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，使之從早期的邏輯控制、順序控制迅速擴(kuò)展到了連續(xù)控制，開始進(jìn)入批量控制和過程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的支柱阻1。早期的可編程序控制器(Pfogrammable Logic Controller，PLC)，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I／O模塊和各種特殊功能模塊。進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌，使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。在發(fā)達(dá)工業(yè)國家，PLC己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(hào)，有相應(yīng)的I／O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。 3)采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I／O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。PLC在水工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)加氯、自動(dòng)加礬、水泵變頻調(diào)速、SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。它的軟、硬件配置與計(jì)算機(jī)極為類似，只不過它比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言。PLC可分為以下幾個(gè)部分： 1）中央處理單元(CPU)：同一般微處理機(jī)一樣，中央處理單元是可編程控制的核心部件，它通過輸入裝置將外設(shè)的狀態(tài)讀入并按照用戶程序去處理，根據(jù)處理結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中型及大型PLC則為雙CPU甚至多CPU系統(tǒng)。字處理器是CPU這個(gè)核心的核心，常由通用的8位、16位或32位微處理器擔(dān)任，位處理器也稱布爾處理機(jī)，如美國TI公司的TI一530等，它不僅使PLC增加了功能，提高了速度，也加強(qiáng)了PLC的保密性能。2)存貯器：可編程控制器中存貯器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)存貯器用以存貯制造廠家編寫的系統(tǒng)程序。機(jī)器出廠時(shí)，廠家把這些程序存入EPROM存貯器或EEPROM存貯器。用戶存貯器主要用來存放用戶的應(yīng)用程序。此程序由使用者通過編程器輸入到PLC機(jī)的CMOS RAM存貯器中，以便于用戶隨時(shí)修改。為確保PLC機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，CMOS RAM存貯器有預(yù)防電源掉電故障的鏗電池保護(hù)措施，以防電源掉電后破壞它的存貯內(nèi)容。包括輸入、輸出、輔助繼電器狀態(tài)的映像等狀態(tài)的映像寄存器。 3)輸入／輸出模塊：輸入／輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口。由于這些信號(hào)電平各式各樣，而可編程控制器CPU所處理的信息只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以輸入模塊還需將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC能夠接受和處理的數(shù)字信號(hào)?？删幊炭刂破饔卸喾N輸入／輸出模塊，其類型有數(shù)字量輸入／輸出模塊和模擬量輸入／輸出模塊。數(shù)字量輸入模塊帶有光電禍合電路，其目的是把PLC與外部電路隔離開來，以提高PLC的抗干擾能力。模擬量輸入／輸出模塊主要用來實(shí)現(xiàn)模擬量一數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，即A／D或D／A轉(zhuǎn)換。模擬量輸入模塊A／D轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字量，經(jīng)光電耦合器和輸入鎖存緩沖器與PLC的I／O總線掛接?，F(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓主要是o．5伏和o．10伏兩種，．20mA兩種。模擬量輸入模塊接收到標(biāo)準(zhǔn)量程的模擬電壓或電流后，把它轉(zhuǎn)換成8位、10位或12位的二制數(shù)字信號(hào)，送給中央處理器進(jìn)行處理。4)擴(kuò)展模塊：當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的I／O點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。智能I／O接口模塊種類很多，例如高速技術(shù)模塊、PLCA控制模塊、數(shù)字位置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能I／O模塊等。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。便于攜帶的特點(diǎn)，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。但它的價(jià)格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在PLC機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)可以進(jìn)行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對(duì)已有的程序予以編輯和修改。因此編程器的監(jiān)控方式對(duì)控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運(yùn)行是非常有用和方便的。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。 現(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結(jié)構(gòu)緊密、堅(jiān)固，外形小巧，CPU本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，就需對(duì)系統(tǒng)做出必要的擴(kuò)展，各個(gè)廠家也生產(chǎn)了專用于擴(kuò)展用的各模板供用戶選用。主要有數(shù)字輸入／輸出模板，模擬輸入／輸出模板，熱電阻、熱電偶擴(kuò)展模板，還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。當(dāng)己運(yùn)行的系統(tǒng)需要改造或擴(kuò)充時(shí)，PLC可以隨時(shí)進(jìn)行升級(jí)或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴(kuò)展模板和修改相應(yīng)的控制軟件。PLC的軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分： 1)系統(tǒng)軟件：也稱之為常駐的操作系統(tǒng)軟件。另外，一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。基本控制單元軟件固化在主機(jī)模塊的EPROM中，其主要功能為：進(jìn)行PLC自身的管理和監(jiān)督(如開機(jī)自檢，運(yùn)行中監(jiān)督CPU、電池電壓是否正常)；循環(huán)解釋運(yùn)行用戶程序；集中進(jìn)行輸入信號(hào)的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來支持用戶程序的輸入，也可以用來監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行過程?？紤]到PLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，系統(tǒng)軟件應(yīng)有專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般用戶不允許直接設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)部操作。目前，在PLC中普遍使用梯形圖編程方法。與硬接線的梯形圖不同，PLC梯形圖邏輯是由軟件實(shí)現(xiàn)的，因此既形象直觀便于編寫，又易于擴(kuò)展和修改功能。 2)非線形：用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)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(gè)非線性系統(tǒng)。 4)時(shí)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(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)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，因此可以認(rèn)為：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從0到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。采用變頻調(diào)速，通過減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 3)變頻調(diào)速的軟啟動(dòng)器避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長聯(lián)軸器壽命。 本課題的主要研究內(nèi)容本文主要通過對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和PLc作為主要控制設(shè)備來設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。 4)通過計(jì)算機(jī)和PLc的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。第2章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 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(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)如圖2．1所示。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(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q（U）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(dòng)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2．1中A點(diǎn)。HA揚(yáng)程特性管阻特性AQAQH 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： S=n1nn1 （21）異步電機(jī)的同步速度為： f=60fp （22）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： f=60fp（1s） （23） 其中：n1為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f為異步電機(jī)的定子電源頻率；p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動(dòng)能改變流量。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。HH2H1H0En2 DFβ1β3n10Q2Q1Q 當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Ql，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從屬移到屆，揚(yáng)程特性曲線不變。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為（0， Q2,D,H0)圍成的矩形面積，其值為： Pd=γH0Q2102η （25） 可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（H0,D,F,H1)圍成的矩形面積，其值為： △P=PfPd=γH1H0Q2102η （26） 所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有γH1H0Q2102η功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力