【正文】 二號泵投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。當最后一臺水泵三號泵投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。當調速水泵和工頻運行水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻運行水泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在 50HZ 時進行。當變頻器的輸出頻率已經到達 50HZ 時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。另外，變頻廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計20器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率遠大于 0HZ，具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20HZ 左右。從上面的分析可以看出，當變頻器的輸出頻率已經到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設定壓力時，存在的實際供水壓力差己經不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉?？梢灶A見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入分切出崢再投入分再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供 第三章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計 21水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命 [16]。所以，在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關系相對應。圖 35 用于壓力判斷的回滯環(huán)如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當實際的供水壓力比設定壓力小△Pd/2 的時候才允許進行機組增加。回滯環(huán)的應用提供了這樣一個保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時實際供水壓力在當前機組的運行狀況下滿足不了設定的要求。這兩種情況有一個共同的特點，即創(chuàng)門維持的時間短，只能夠使機組切換的判別條件在一個瞬間滿足。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時的時間內切換條件仍然成立，設 定 壓 力 實 際 壓 力Δ Pd/2減 泵 下 限 頻 率增 泵 設 定 壓 力 實 際 壓 力上 限 頻 率廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計22則進行實際的機組切換操作。經過上面的討論，將實際的機組切換的實際條件定為：增泵條件： f = 并且延時判別成立UP2dsfP???減泵條件： f = 并且延時判別成立LOWdSf?? 本章小結本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數學模型。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。 PID 控制及其控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional（比例） 、Integral（積分） 、Derivative（微分）控制方式，稱之為 PID 控制。具有以下優(yōu)點：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。系統(tǒng)由擬 PID 控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖 41。 PID 控制規(guī)律為： （42 ）p1()u(t)=K[()]DdetettT??式（42）中，K p 表示比例系數；T 1 表示積分時間常數；T D 表示微分時間常數。（1）比例環(huán)節(jié)；成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差 e (t)一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數 K 的增大而減少。（2）積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。直到系統(tǒng)偏差為零。積分作用的強弱取決于積分時間常數 T1，T 1 越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。PID 的三種作用是相互獨立，互不影響。然而，對于大多數系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。數字 PID 控制算法 [20][21]自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節(jié)器來實現(xiàn) PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。用一系列的采樣時刻點 kT 代表連續(xù)時間，用矩形法數值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達式： （44 ）0(){()()[()1)]}kDDpjukKeeke?????式(44) 中，T 表示采用周期，k 表示采用序號，e(k)表示第 k 時刻的偏差信號，e(k1)表示第 k1 時刻的偏差信號，u(k)表示第 k 時刻的控制量。為此實際控制中多采用增量式 PID 控制算法，其表達式為 第四章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調節(jié) 25()(1)ukuk??? （45 ）1[())][2(2)]p DKekKee?????式()中， 表示調節(jié)器輸出的控制增益， 。 變頻調速恒壓供水的 PID 調節(jié)過程 變頻調速恒壓供水的 PID 調節(jié)過程分析變頻調速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG 適應用水 QU 需求變化。因此，可根據壓力的變化，來實現(xiàn)對供水流量的調節(jié)，維持供水能力 QG 和用水需求QU 之間的乎衡。其實現(xiàn)方法是，首先據用戶對水壓的要求，給 PID 調節(jié)器預置一個目標壓力值，管道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成 4～20mA 的模擬電流信號反饋給變頻器內置的 PID 調節(jié)器，PID 調節(jié)器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節(jié)量，自動調節(jié)變頻器輸出頻率，調節(jié)電機轉速，使供水量適應用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。如圖 42 中的 0～t1 段（2）用水量增加時當用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號 y 減少，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉速升高，增加供水能力，最后達到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復，維持供需平衡。廣東石油化工學院本科畢業(yè)( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計26（3）用水量減少時當用水量減少，用水需求 QU供水能力 QG，水壓上升，壓力反饋信號 y 增大，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉速降低，降低供水能力，最后達到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復，維持供需平衡。0000流量Q水壓PP I D輸出控制增量Δ u輸出頻率 f（ 轉速 ） nttttt 1t 2 t 3t 4 第四章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的 PID調節(jié) 27圖 變頻調速恒壓供水 PID 調節(jié) 變頻器 PID 控制功能參數設置變頻器 PID 控制功能代碼有 HH21 、H2H2H2H25 共 6 個，通過對功能代碼的設定來保證合理的 PID 運行。設定值 0：不動作；1：正動作；2：反運行。在供水系統(tǒng)中，當壓力增大（即用水量減少） ，水泵的轉速應下降，即變頻器輸出頻率與被控量（水壓）的變化趨勢相反，所以選取模式 2。壓力目標值的預置壓力目標值是一個比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關。根據城區(qū)供水管網情況及水壓需要，確定總出水口水壓大小為 ，選用的遠傳壓力表量程是 0～1MPa，則目標值為 40%。P、I 、D 參數預置P、I、D 參數通過 H2H23 、H24 來設定。由于 P、I、D 的取值與系統(tǒng)的慣性大小有很大的關系，需經現(xiàn)場反復調試，可按以下總體原則來進行整定。常見有下面幾種情況。（2）允許小量超調前提下加快響應速度減小 H23（積分時間） ，增大 H24（微分時間） ，如圖 44 b。（4）抑制大約和 H24（微分時間）同樣長周期的振蕩減小 H24（微分時間） 。在 PID 功能有效且完成參數預置后，變頻器完全按用戶設定的 P、I、D 調節(jié)規(guī)律運行，其工作特點是：（1）變頻器的輸出頻率只根據水壓實際壓力大小與設定的目標壓力的偏差進行調整，與被實際水壓大小并無對應關系。（3）變頻器的輸出頻率始終處于調整狀態(tài)，因此，其顯示的數值常不穩(wěn)定。本章的主要內容有分析 PID控制器的基本原理和供水系統(tǒng)中 PID調節(jié)過程，討論了 PID參數的調節(jié)方法。（2）電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實現(xiàn)手動或自動控制的切換。（4）PLC 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設定、順序控制、信號指示報警及與上位機的通訊聯(lián)絡。圖 51 供水系統(tǒng)圖 主電路設計三臺大容量的主水泵（1，2 ，3）根據供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工上 位 機 通 信 模 塊 PLC變 頻 器 PID調 節(jié) 器故 障 自 動 報 警 壓 力 變送 器清 水 池 用 戶 管 網工 頻 輸 入 變 頻 輸 出進 水 管 電 動 閥 門 一 號 泵二 號 泵三 號 泵輔 助 泵 第五章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 31頻、停泵三種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運行在工頻狀態(tài)，通過一個接觸器接入工頻。變頻器的主電路輸出端子（U、V 、W ）經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向與工頻時電機轉向不一致時，需要調換輸出端子（U、V、W）的相序，否則無法工作。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子FWD（ REV）來操作，不得以主電路空氣開關 Q7 的通斷來進行。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。圖 52 主電路 電氣控制電路設計在控制電路的設計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。通過隔離，可延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設計時，進一步通過 PLC 內部的軟繼電器來作互鎖。出于可靠性及檢修方面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。出于可靠性及檢修方面的考慮，設計了手動/自動轉換控制電路。圖 53 電氣控制線路圖圖 53 中，SA 為手動/自動轉換開關，KA 為手動/自動轉換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置 KA 吸合，為自動狀態(tài)。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。電動機電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA7 控制接觸器 KM1KM7 的線圈來實現(xiàn)。FRFR2 、FR3 、FR4 為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過流保護。因此我們在選擇 PLC 時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 S7－200 型 PLC 的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性能價格比，是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應自動控制任務，各種單獨的模塊之泛組合以用于擴展；簡單實用的分散式結構和多界面網絡能力，使得應用十分靈活；方便用戶和簡易的無風扇設計；當控制任務增加時，可以自由擴展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。當任務規(guī)模擴大，可隨時使用附加模塊對 PLC 進行擴展。PLC 和上位機的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點對點接口（ PPI）