【正文】 國(guó)外公司的依賴還很嚴(yán)重 。在早期，由于國(guó)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、起動(dòng)控制 以及 制動(dòng)控制、壓頻比控制 以 及各種保護(hù)功能。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯 著 的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家 開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將 PID 調(diào)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(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)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(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7 臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)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(tái)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)。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒 壓供水專用變頻器(~22kw)，無(wú)需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺(tái) 水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)?？梢钥闯觯壳霸趪?guó)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(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)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。 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 ” PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。 20 世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言 [5]，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。 20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 目前， PLC在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC， S7200屬于小型 PLC，在 1998 年升級(jí)為第二代產(chǎn)品， 2021 年升級(jí)為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 [6]： (1) 功能強(qiáng)大。 10 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。 11 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案 確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 [7]，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f成正比。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開(kāi)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，如圖 所示。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開(kāi)度下 揚(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 曲線， 如圖 所示 。12 由于閥門開(kāi)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 中 A 點(diǎn)。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 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。 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(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開(kāi)度保持不變，是通過(guò)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。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比 ； 水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比 ； 管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量Q 的平方成正比。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，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 b3移到 b1，揚(yáng)程特性曲線不變。 當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓 (H0)， 變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。 所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著 。系統(tǒng)主要的 任務(wù)是利用 恒 壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制14 多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒 定 和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸 和監(jiān)控 。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓 要求，在調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。 (2) 通用變頻器 +單片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。 (3)通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò) PC 機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。 (2)信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括 管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水 位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電 機(jī)和水泵。 (3)控制機(jī)構(gòu) ： 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器16 和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 機(jī)組 )進(jìn)行控制 ； 變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓力上 [10]。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換17 模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 (2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)， 壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大， PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速 達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 (3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細(xì)闡述 )時(shí)，在變頻 循環(huán) 式的控制方式下，系統(tǒng)將 在 PLC 的控制下自動(dòng)投入水泵 M2(變速運(yùn)行 )， 同時(shí) 變頻泵 M1 做工頻運(yùn)行， 系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 (4)當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的 實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將 工頻 泵 M2關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng) 變頻 泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的 ； 當(dāng) 變頻 泵和工頻泵都在運(yùn)行且 變頻 泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同 時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。 當(dāng) 輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過(guò)設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉 。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過(guò)對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此 PLC 選用德國(guó) SIEMENS 公司的 S7200 型。 SIEMENS 公司的 PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一 定的預(yù)留量，因此選用的S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開(kāi)關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開(kāi)關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點(diǎn)，輸入形式為 +24V 直流輸入。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào) ；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù) 字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過(guò)頻率