【正文】 制的變頻調速供水系 統(tǒng)，由 PLC進行邏輯控制，由變頻器進行壓力凋節(jié)。由變頻器、 PLC、 PID調節(jié)器和組成控制系統(tǒng)，調節(jié)水泵的輸出流量。1 摘 要 隨社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高 ； 再加上目前能源緊缺，利用先進的自動化技術、控制技術以及通訊技術，設計高性能、高節(jié)能、能適應不同領域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 本設計是針對居民生活用水而設計的。電動機泵組由三臺水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。在經(jīng)過 PID運算，通過 PLC控制變頻與工頻切換，實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)恒壓變量供水。 關鍵詞：變頻調速 ；恒壓供水； PID調節(jié)； PLC 2 ABSTRACT With the rapid development of social economy； it demands the better of water supply39。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網(wǎng)絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 。 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。在恒壓供水技術出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市2 公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質量極差。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開、停頻率等有關。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大 。而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。 恒速泵加高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質量下降能耗增加。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比3 較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點。當系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。頻繁啟動會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。隨著變頻技術的發(fā)4 展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓 供水功能的變頻器，像日本Samc。它將 PID調節(jié)器和 PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多 7臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn) 。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多 方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。 5kW22kW)，無需外接 PLC和 PID調節(jié)器，可完成最多 4臺水泵的循環(huán)切換、 定時起、停和定時循環(huán)。 可以看出 ，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)， 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 課題來源及本 文的主要研究內容 課題來源 本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實際應用。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。 本論文中所做的工作 根據(jù)系統(tǒng)要求，設計出滿足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對 PLC、變頻器、壓力傳感器進行選型，根據(jù) 系統(tǒng)要求設計出能滿足控制要求的控 制 電路和控制 程序。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時開一臺大電機肯定是浪費的．電機 選小了用水量大時供水會不足。恒壓供水的主要目標是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機供電。另一種 方案是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換，供水運行時，一臺水泵變頻運行。 圖 21為恒壓供水 系統(tǒng) 構成示意圖。當用水量大時，水壓降低： 用水量小 時，水壓升高。 圖 21 恒壓供水系統(tǒng)示意圖 Fig21 Constant pressure water supply system schematic drawing P L C 送水 消防 生活 變頻器 工頻 /變頻切換電路 1 號泵 2 號泵 3 號泵 壓力罐 壓力傳感器 調節(jié)器調節(jié)器 7 調節(jié)器是一種電子裝置，在 系統(tǒng)中完成以下幾種功能： (1) 設定水管壓力的給定值。 供水距離越遠，用水地點越高，系統(tǒng)所需供水壓力越大。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一 個泵站，水壓的設定值可能不止一個，一般消防用水的水壓要高一些。 (2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實測值。 (3)根據(jù)結定值與實測值的綜合，依一定的 調節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調節(jié)信號。如給定位大于 實際 值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大水泵電機的轉速．如水壓高于理想水壓，要降低水泵電機的轉速。為了實現(xiàn)調節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調節(jié)器工作中還有個調節(jié)規(guī)律問題，傳統(tǒng)調節(jié)器的調節(jié)規(guī)律多是比例 積分 微分調節(jié)，俗稱 PID調節(jié)器。 PID調節(jié)過程視調節(jié)器的內部構成有數(shù)字式調節(jié)及模擬量調節(jié)兩類，以微計算機為核心的 調節(jié)器多為數(shù)字式調節(jié)。 信 號的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅動執(zhí)行設備工作。 8 3 變頻器 和壓力傳感器 交流變頻器是微計算機及現(xiàn)代電力電子技術高度發(fā)展的結果。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒 50Hz。 PfN 11 60? 式中 1N 同步轉速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機的磁極對數(shù)。 均與送 入 電機的電流頻率 /成正比例或接近于正比例。 變頻器的基本結構 從頻率變換的形式來說．變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。市售通用變頻器多是交 直 交變頻器，其9 控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側變流器 整流器 逆變器 AC M 運行指令 基本結構圖如圖 31所示， 圖 31 交 直 交變頻器的基本結構 Fig31 The basic structure of TACstraightCycloconverter 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： (1)整流器。 (2)直流中間電路。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性 負載。 因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。負載側的變流器為逆變器。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分 ?？刂齐娐肥亲冾l器的核心部分．性能的優(yōu)劣決定了變頻搏的性能。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關的通與斷，可 以得到任意頻率的三相交流輸出。圖 32為電流型變頻器主電路基本結構示意圖。 fU 控制即電壓與頻率成比例變化控制。 fU 控制由于忽略了電動機漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。采用 fU 控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。轉差頻率控制是在 fE 控制基礎上增加轉差控制的一種控制方式。更重要的是，在 fE =常數(shù)的條件下，通過對轉差率的控制，可以實現(xiàn)對電機轉矩的控制。 （ 3）矢量控制。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉速及力矩控制的精度及性能。 通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對12 負載的適應性。 變頻器的操作方式及使用 和 PLC一樣，變頻器是一種可編程的電氣設備。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條， 涉及調速操作端口指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統(tǒng)保護等各個方面。修訂是為了使 變頻器的性能與實際工作任務更加匹配。 變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式： （ 1）操作面板控制方式。具體操作又有兩種方法，一個按面板上頻率上升或頻率下降的按鈕調節(jié)輸出頻率，另一個方法是通過直接設定頻率數(shù)值調節(jié)輸出頻率。變頻器常設有多段頻率選擇功能。變頻器通常在控制端子中設置一些控制端，如圖 4端子 XX X3，他們的 7種組合課選定 7種工作頻率值。 (3)外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。 (4)通信數(shù)字量操作方式。 變 頻器硬件 選擇 根據(jù)設計要求， 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A45P5 產(chǎn)品。 變 頻器選用日本安川變頻器CIMRP5A45P5 產(chǎn)品，適配電機 15 kW，該變頻器基本配置中帶有PID 功能。 M M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端 ，該信號進 PLC，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設定 。 S1 和 S2 短接，并與 S3 連接到 PLC 的輸出點上，由 PLC 控制變頻器的運行與關斷 ； U、 V、W 輸出端并聯(lián)三個接觸器分別接 M M M3 泵電機，變頻器可分別驅動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這 6 個接觸器線包連接到 PLC 的四個輸出點上，由 PLC控制其工 頻、變頻切換工作。變頻器端子的 19端和 20端是傳感器壓力設定的上、下限值，該信號進 PLC，作為工頻切換的控制信息，由 PLC控制水泵的工頻或變頻運行。 變頻器有 2個作用，一是作為電機的軟起動裝置，限制電動機的啟動電流；二是改變異步電動機的轉速，實現(xiàn)恒壓供水。 圖 33 日本安川變頻器 CIMRP5A45P5在電路中的接線圖 Fig 33 Japan39。根據(jù)用水量的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調速，實現(xiàn)恒壓供水。此外，系統(tǒng)還設有多種保護功能 ，尤其是硬件 /軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。該傳感器還具有體積小，重量輕、結構簡單、工 作可靠的特點。 (2)控制水泵的運行與切換。在設單一變頻器的多泵組泵站中，如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔任的。 增加一臺工頻泵投入運行 PLC則是泵組管理的執(zhí)行設備。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采 PLC的模擬量控制模塊 ， 該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號 。 (4)泵站的其他邏輯控制。 PLC 模擬量擴展單元的配置及應用 PLC的普通輸入輸出端口均為開關量處理端口，為了使 PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式 PLC加配模擬量擴展17 單元。模擬量擴展單元有單獨用于模 /數(shù)轉換的，單獨用于數(shù) /模轉換的，也有兼具模 /數(shù)及數(shù) /模兩種功能的。 模擬量輸入模塊的功能及與 PLC 系統(tǒng)的連接 FX N2 4AD 4模擬量輸入模塊具有 4個通道，可同時接受并處理 4路模擬量輸入信號， 最大分辨率為 12位。模擬量信號可通過雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖 31所示，當使用電流輸入時，需將V+及 I+端短接。 FX系列可編程控制器中 ， 與 PLC連接的特殊功能擴展模塊位置從左至右依次編號 （ 擴展單元不所示