【正文】 過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。 引言 目前 ,居民生活用水和工業(yè)用水增長幅度日益加大 .由于居民日常生活用水會隨季節(jié)、 晝夜等時間段的不同而不同 ,如采用傳統(tǒng)的供水方式則會出現(xiàn)供水和用水不平衡的現(xiàn)象 ,造成資源浪費。 課題意義 本文介紹的是關于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計，因變頻調速恒壓供水技術其節(jié)能、安全、供水品高質等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應 用。模擬在實際應用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻器調速恒壓供水設備，降低成本、保證產(chǎn)品質量等有著重要意義。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、正反轉控制、起制 動控制、變壓變頻比控 制及各種保護功能。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。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(nèi)置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網(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、抗干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。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。因此，有 待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。這種調控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管進口壓力保持恒定為條件。因此這種 調控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài) . 變頻調速是優(yōu)于以往任何一種調速方式 (如調壓調速、變極調速、串級調速等 )，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術 .它采用微機控制技術 。以變頻器為核心結合PLC 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設定的壓力值上。即將壓力控制點測的壓力信號 (4－ 20ｍＡ )直接輸入到 PLC 的 3A模塊 中， 再由 3A 模塊中輸出 0250 的數(shù)字量在 PLC 的 PID 程序中運用起來，由 PLC 將其與用戶設定的壓力值進行比較，并通過 PLC 程序中 PID 指令 運算將結果轉換為頻率調節(jié)信號調整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉速。 系統(tǒng)概述 如圖 所示，為該系統(tǒng)的供水流程。變頻恒壓供水的調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟 性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、 網(wǎng)絡 供水調度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 (2) 變頻調速法 由式 ( 1) 可知 ,泵的流量 Q 與轉速 n 成正比 , 要將流量從 QN 減小到 QA 時 ,可將泵轉速從 n1 降至 n2 , 工作點從 N 切換至 B, 揚程 H 減小 . 在同樣流量 QA 下 , 軸功率 P3 與圖中 QAHBB 0 區(qū)域面積成正 比 . 由圖可知 ,P3 P2 ,在同樣流量 QA 下 , 采用調速法節(jié)省的軸功率與圖中陰影部分 ( BAHAHB) 區(qū)域面積成正比 , 節(jié)能效果非常明顯 .對于電機的轉速 ,可用下式表示 : （ 3） 式中 : n— 電機轉速 ,r/ m in 。 p — 電機極對數(shù) 。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調節(jié)水量之用，三臺水泵協(xié)調工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋 0——5V 電壓信號）或壓力變送器（反饋4——20mA 電流）；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無級調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 圖 系統(tǒng)原理圖 （ 1） 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 3 個水泵分為 2 種類型： 調速泵：是由變頻調速控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。它們用于在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。 ②報警 信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。 （ 3） 控制系統(tǒng) 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)）、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構（即水泵）進行控制。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信 號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換。通過人機界面，使用者可以更改設定值，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。 （ 5） 通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組 態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通信接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡技術用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等 （ 6） 報警裝置 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。KM KM KM5 分別為電動機 M1 、 M2 、 M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器， KM0、 KM2 、 KM4 分別為電動機 M M M3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。 熔斷器（ FU）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。 交流接觸器控制回路部分連接圖如下圖 所示（虛線框里為掛箱內(nèi)部已經(jīng)連接）即 Y21~~Y26 分別控制繼電器 KM0~~KM5, KM0 與 KM1, KM2 與 KM3, KM4與 KM5之間分別互鎖，防止它們同時閉合使變頻器輸出端接入電源輸入端。 可編程控制器 PLC 可編程控制器是 60 年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC。 這就是著名的 “GM 十條 ”。（ Programmable Logic Controller, 簡稱PLC）。 簡介 PLC 的發(fā)展狀況及其發(fā)展趨勢 現(xiàn)在的 PLC 產(chǎn)品已經(jīng)使用了 16 位、 32 位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理，通信技術使 PLC 的應用得到進一步發(fā)展。 目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品。 PLC 總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。 （ 1）順序控制 例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等等。（ 4）數(shù)據(jù)處理（ 5）通信聯(lián)網(wǎng) PLC 的工作過程 PLC 是在系統(tǒng)軟件的控制 和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖 所示。 ④ 輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài) 決定； ⑤ 輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。由實驗步驟中主回路接線圖可以看出，交流接觸器組中的KM0 與 KM1 分別控制 1水泵的變頻運行和工頻運行，而 KM2 和 KM3 則控制2水泵的變頻與工頻， KM4 與 KM5 控制 3水泵的變頻與工頻起動。 系統(tǒng)啟動時， KM0 閉合， 1水泵以變頻方式運行。 如果再次收到變頻器上限輸出信號，則 KM2 斷開 KM3 吸合， 2水泵由變頻轉為工頻，同時 KM4 閉合 3水泵變頻運行。 再次收到下限信號就關閉 KM KM1，吸合 KM0，只剩下 1水泵變頻工作。 同時，模擬用戶電磁閥還可以通過 X10~~X14 的輸入端開啟。程序開始時，進行 A/D 轉換程序，將供水的壓力值存入 PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 D48，而液面高度存入 D1 里。控制起動和停止需要 2 個輸入點，系統(tǒng)自動 /手動起動需 1 輸入點，手動控制電機的工頻 /變頻運行需 6 個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需 1 個輸入點，檢測電機是否過載需 3 個輸入點， 用戶的控制需要個輸 5 入點， 共需 18個輸入點。本系統(tǒng)選用 FX2n48MR型 PLC。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等 。圖 所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 ① 整流器 最近大量使用的是二極管的交流器，圖 所示，它把工頻電源變換為直流電源。 ② 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 圖 以電壓型 PWM 逆變器為例示出開關時間和電壓波形。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。如圖 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓 /電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。 ② 電壓 /電流檢測電路 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等 。它使主電路器件導通、關斷。 ⑤ 保護電路 檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。由于逆變器負載側短路等，流過逆變器器件的電流達