【正文】 L407 I 摘 要 隨社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)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(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 本設(shè)計(jì)是針對居民生活用水 /消防用水而設(shè)計(jì)的。電動機(jī)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(jī)泵組之間的切換及速度，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理的狀態(tài)，保證按需供水。在經(jīng)過 PID運(yùn)算，通過 PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。 關(guān)鍵字： 變頻調(diào)速 ；恒壓供水； PID調(diào)節(jié)； PLC II Abstract With the rapid development of social economy, it demands the better of water supply39。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。采用該系統(tǒng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該 系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?？朔捎诓捎脝渭兪謩涌刂葡到y(tǒng)進(jìn)行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 壓 力的要求比較嚴(yán)格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。 從上即可結(jié)論：以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制 、起制動控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。 目前國內(nèi)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(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)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(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。艾默生電氣公司和成都希望集團(tuán) (森蘭變頻器 )也推出恒壓供水專用變頻器 ()，無需外接 PLC 和PID調(diào)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(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究還不夠。 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 課題來源 本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。如圖 11為變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，其中，泵房裝有 1~3共三臺泵機(jī)，還有多個電動閥門控制各回路和水流量。恒壓供水的主要目的是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就需要用變頻器為水泵電機(jī)供電。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 圖 11 變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2章 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成 恒壓供水泵站一般需設(shè)多臺水泵電機(jī)，這比設(shè)單臺水泵及電機(jī)節(jié)能而可靠。電機(jī)選小了用水量大時供水會不足。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)供電。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同用水量的需 求。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。水壓傳感器將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱乃徒o調(diào)節(jié)器。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。給定值即是系統(tǒng)正常工作時的恒壓值。大部分調(diào)節(jié)器用數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。管網(wǎng)實(shí)測水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點(diǎn)。調(diào)節(jié)器接收了P L C 送 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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 水壓的實(shí)測反饋信號后，將它與結(jié)定值比較，得到給定值與實(shí)測值之差。這 些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號控制。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)，如 P、 I、 D 參數(shù)均是可以由使用者設(shè)定的。 調(diào)節(jié)器的輸出信號一船是模擬信號， 4～ 20mA 變化的電流信號或 0～ 10V 間變化的電壓信號。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。而交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsNN ???? () 式中 s 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率， 11 /)( NNNs ?? ，一般小于 3%。因而，改變頻率可以方便地改變電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對于交流電機(jī)的調(diào)速來說是十分合適的。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 31 交 直 交變頻器的基本結(jié)構(gòu) 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(fù)載多為異步電動機(jī)，屬于感性負(fù)載。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機(jī)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(fù)載側(cè)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(qū)動電路、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個部分?？刂齐娐肥亲冾l器的核心部分的性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 壓力傳感器的概念 在自動控制系統(tǒng)中檢測環(huán)節(jié)是非常重要的一部分，它將檢測到的控制量反饋回輸入端，控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運(yùn)行指令 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 才能實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)所用的檢測的是水壓，采用壓力傳感器，它通常安裝在出水管網(wǎng)上，其功能是把出口壓力信號變成 4～ 20mA變化的電流信號或 0～ 10V 間變化的電壓信號的標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PLC的端口進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC控制切換器進(jìn)行加減泵。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 4章 系統(tǒng)的硬件電路 設(shè)計(jì) 恒壓供水要求用戶端不管用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖 41所示。 PLC 控制各臺水泵的運(yùn)行狀態(tài)（如工頻運(yùn)行、變頻運(yùn)行、停止），從而控制水泵的運(yùn)行臺數(shù)，在供水中利用 PID回路調(diào)節(jié)功能將檢測到的現(xiàn)場壓力值與整定值進(jìn)行比較，比較后的信號送至 變頻器，對變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制電三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 泵速度的目的。 （ 1）系統(tǒng)工作流程如圖 42所示 圖 42 工作流程圖 （ 2）系統(tǒng)工作過程 首先開主電源和 PLC電源，然后根據(jù)需要選擇手動或自動，如果選擇手動，則根據(jù)需要選擇各泵的運(yùn)行，如果選擇自動，開變頻器后，系統(tǒng)會自動根據(jù)水壓情況調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行，當(dāng)用水量大，水壓過小的時候， PLC和變頻器配合工作， 根據(jù)需要來投入各泵的運(yùn)行，變頻調(diào)速無法滿足時， PLC 將各泵調(diào)整為工頻運(yùn)行。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 該系統(tǒng)包括 3臺水泵電動機(jī) M M M3，其中 M3為備用，系統(tǒng)為一臺 變頻器依次控制每臺水泵實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)恒壓控制。主電路如圖 43所示。 三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第 5章 PID的控制原理與理論設(shè)計(jì) PID調(diào)節(jié)原理和特點(diǎn) PID（比例積分微分）英文全稱為 Proportion Integration Differentiation，它是一個數(shù)學(xué)物理術(shù)語。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID控制功能的可編程控制器（ PLC），還有可實(shí)現(xiàn) PID控制的 PC系統(tǒng)等等。 PID控制器問世至今已有近 70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID控制技術(shù)。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 積分（ I）控制 : 在積分控制中，控制器的輸出與輸 入誤差信號的積分成正比關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這樣，即便誤差很小，三江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 積分項(xiàng)也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 微分（ D）控制 : 在微分控制中，控制器 的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用 等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反曲線法和衰減法。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。利用該方法進(jìn)行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：（ 1）首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工