生活-消防雙恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要摘要 本論文根據(jù)中國(guó)城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓 供水系統(tǒng), 并利用 MATLAB 進(jìn)行參數(shù)整定。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、 變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。 本系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì) 三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳 感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào)，送入 PLC 與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而控制變頻 器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓 力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，PLC ABSTRACT According

2、 to the requirement of Chinas urban water supply, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have used MATLAB software to carry out the parameter setting.The system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and contro

3、l machine and so on. This system is formed by three pump generators,and they form the circulating run mode of frequency conversion. With general frequency converter realize for three phase pump generator soft start with frequency control,operation switch adopts the principle of”start first stop firs

4、t”. The detection signal of pressure sensor of hydraulic pressure,via PLC with set value by carry out PID comparison operation,so,control frequency and the export voltage of frequency converter,and then the rotational speed that changes pump generator come to change water supply quantity,eventually,

5、it is nearby to maintain pipe net pressure to stabilize when set value. Keywords: variable frequency speed-regulating, constant-pressure water supply, PLC 目錄目錄 1 緒論.1 1.1 課題的提出.1 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .2 1.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀.2 1.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀.2 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定.4 2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析.4 2.1.1 電動(dòng)

6、機(jī)的調(diào)速原理.4 2.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理.4 2.1.3 管網(wǎng)設(shè)定水壓的水力計(jì)算.7 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定.8 2.2.1 控制方案的比較和確定.8 2.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 .10 2.2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 .12 2.2.4 水泵切換條件分析.13 3 恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).15 3.1 系統(tǒng)主要控制要求.15 3.2 系統(tǒng)的硬件選型.15 3.2.1 系統(tǒng)的控制器.16 3.2.2 模擬量輸入輸出模塊.16 3.2.3 變頻器.18 3.2.4 壓力傳感器.24 3.2.5 水泵電動(dòng)機(jī).24 3.2.6 液位變送器.25

7、3.3 系統(tǒng)的 I/O 地址分配.25 3.4 恒壓供水系統(tǒng)控制方案.26 3.5 系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng).27 3.5.1 主電路圖.27 3.5.2 控制電路圖.28 3.5.3 PLC 系統(tǒng)外部接線(xiàn)圖. .29 3.5.4 變頻器電氣原理圖.29 4 恒壓供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì).31 4.1 系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)說(shuō)明及流程圖.31 4.1.1 初始化子程序.31 4.1.2 定時(shí)中斷程序.31 4.1.3 主程序.32 4.2 程序中使用的編程元件及含義.34 4.3 程序中相關(guān)重要指令的解釋.36 4.3.1 比較式觸點(diǎn)指令.36 4.3.2 定時(shí)程序.36 4.3.3 子程序調(diào)用和返回指令.36

8、4.3.4 中斷指令和特殊功能模塊讀寫(xiě)指令.37 4.4 控制系統(tǒng)的程序.37 5 控制器參數(shù)整定.38 5.1 PID 控制及其控制算法.38 5.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型.39 5.3 PID 參數(shù)整定.40 結(jié) 束 語(yǔ).43 參考文獻(xiàn).44 致 謝.45 附錄 A.46 附錄 B.52 1 緒論 1.1 課題的提出 水和電是人類(lèi)生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特 征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能源短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)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(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度較低， 而隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及

9、住房制度改革的不 斷深入，城市中各類(lèi)小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出 了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn) 定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶(hù)的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管 理水平的高低。 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式， 其優(yōu)、缺點(diǎn)如下： (1) 恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增 減都依賴(lài)人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿(mǎn)負(fù) 荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較

10、少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行 狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào) 節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量 大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作， 而出水壓力無(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停 電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為 硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 (4) 液

11、力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效 率低，改造麻煩，只能是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 明了，維修方便。 (5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面 4 種供水方式，但是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比 較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率 低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的 用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其 顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、

12、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮 機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)加壓系統(tǒng)，居民生活 用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一 是節(jié)能顯著；二是在開(kāi)、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系 統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。 基于 PLC 和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù) 于一體。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，同時(shí)系統(tǒng)具 有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì) 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。 1.2 變頻恒壓

13、供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī) 控制理論的發(fā)展。1964 年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 PWM 技術(shù)應(yīng)用到 交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人。20 世紀(jì) 80 年代初，日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的磁 通軌跡控制方法。從 20 世紀(jì) 80 年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的 基于 VVVF 技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。在我國(guó)，60%的發(fā)電量是通 過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的，因此如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行方式的改造以節(jié)約 電能，一直受到國(guó)家和業(yè)界人士的重視。現(xiàn)在，我國(guó)約有 200 家左右

14、的公司、工 廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國(guó)際市 場(chǎng)上的同類(lèi)產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。隨著改革開(kāi)放和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 我國(guó)采取要么直接從發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，即在自 行設(shè)計(jì)制造的成套裝置中采用外國(guó)進(jìn)口或合資企業(yè)的先進(jìn)變頻調(diào)速設(shè)備，然后自 己開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國(guó)內(nèi)重大工程項(xiàng)目提供了電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的 解決辦法，適應(yīng)了社會(huì)的需要。總之，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績(jī)， 但是總體上來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國(guó)外公司的依 賴(lài)還很?chē)?yán)重。 1.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變

15、頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。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。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中， 變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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

16、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)。這類(lèi)設(shè)備雖微化了 電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如 BA 系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信， 并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。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

17、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)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi) 能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。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(zhuān)用變頻器(5.5kw22kw)，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)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制 功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)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(chǎng)所?？梢?看出，目前在國(guó)內(nèi)外

18、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。因此，有待于進(jìn)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(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 2.1.1 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： 式 (2.1) 60 (1) f ns p 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。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變

19、電機(jī)極對(duì)數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高， 但需要專(zhuān)門(mén)的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大， 轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。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(xiàn)路過(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損 耗，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特 點(diǎn)。 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。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的

20、轉(zhuǎn)速。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。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn) 了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng) 用。 2.1.2 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(mén)開(kāi)度不變?yōu)榍疤幔砻魉?在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖 2.1 所示。由于在閥門(mén)開(kāi)度 和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶(hù)的用水情況，因此，揚(yáng) 程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系 H=f(Qu)。而管阻特性是以水 泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門(mén)在某一開(kāi)度下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線(xiàn)，

21、 如圖 2.1 所示。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液 體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由于閥門(mén)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(hù)的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流 量 Qc 之間的關(guān)系 H=f(Qc)。揚(yáng)程特性曲線(xiàn)和管阻特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，稱(chēng)為供水系統(tǒng) 的工作點(diǎn)，如圖 2.1 中 A 點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶(hù)的用水流量 Qu 和供水系統(tǒng)的供水 流量 Qc 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿(mǎn)足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng) 穩(wěn)定運(yùn)行。 管阻特性 A Q H HA QA 揚(yáng)程特性 圖 2.1 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

22、、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門(mén)等構(gòu)成。通 常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器 調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。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。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定 子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。 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(mén)控制法和轉(zhuǎn) 速控制法。閥門(mén)控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。 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(mén)開(kāi)度的改 變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門(mén)開(kāi)度在 一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要

23、造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。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(mén)開(kāi)度保持不變，是通過(guò)改變水的動(dòng)能改變 流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速 供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶(hù)用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電 機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí) 電機(jī)減速。 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。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方 成正比，即

24、： 式 1 Pk HQ （2.2） 式（2.3） 2 nk Q 式（2.4） 2 3 Hk Q 式 3 Pkn （2.5） 式中 k、k1、k2、k3 為比例常數(shù)。 H H2 H1 H0 0Q2 Q1Q n1 n2 E F D b1 b2 b3 圖 2.2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線(xiàn) 當(dāng)用閥門(mén)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(mén)，這時(shí)閥門(mén)的摩擦阻力變大，阻力曲 線(xiàn)從 b3移到 b1，揚(yáng)程特性曲線(xiàn)不變。而揚(yáng)程則從 H0上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 F 點(diǎn)，此時(shí)水泵的輸出功率正比于 H1Q2。當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采

25、用恒壓 (H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線(xiàn)為 b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€(xiàn) n2，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)用閥門(mén)控 制流量時(shí)，有正比于(H1H0)Q2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門(mén)的不斷關(guān)小， 閥門(mén)的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線(xiàn)上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方式供水 功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 2.1.3 管網(wǎng)設(shè)定水壓的水力計(jì)算 給水壓力的計(jì)算，供水系統(tǒng)的用水規(guī)模既是用戶(hù)的用水量，決定了用戶(hù)正常 用水的給定壓力。對(duì)于普通上火用水用戶(hù)，根據(jù)衛(wèi)生器具和用水設(shè)備用途的

26、要求 而規(guī)定的其用水裝置單位時(shí)間的出水量為額定量。各種配水裝置為克服給水配件 水組、沖擊及流速變化等阻力，而放出額定流量所需的最小靜水壓稱(chēng)為流出水頭。 要滿(mǎn)足建筑內(nèi)給水系統(tǒng)各配水點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)使用所需的水量，給水系統(tǒng)的水壓滿(mǎn) 足用水量需求的流出水頭，其計(jì)算公式如式（2.6）所示。 式（2.6） 1234 HHHHH 式中 H:建筑內(nèi)給水系統(tǒng)所需的水壓，kPa； :引入管起點(diǎn)至配水最不利點(diǎn)位置高度所需的靜水壓，kPa； 1 H ：引入管起點(diǎn)至配水最不利點(diǎn)給水管路的沿程與局部水頭損失，kPa； 2 H ：水流通過(guò)水表時(shí)的水頭損失，kPa； 3 H ：配水最不利點(diǎn)所需的流出水頭，kPa。 4 H 其中

27、和為固定水壓，由建筑物的實(shí)際情況決定；和為給水管失 1 H 4 H 2 H 3 H 壓力。因此得到給水管網(wǎng)的特性曲線(xiàn)。計(jì)算公式如式（2.7）所示。 式（2.7） 2 0 =hHSQ 式中 ：與之和，kPa； 0 h 1 H 4 H S :綜合反映管網(wǎng)阻力特性的系數(shù)，kPa/； 2 3 m / h Q：管網(wǎng)的實(shí)際流量，。 3 m / h 居民住宅生活用水定額標(biāo)準(zhǔn)及小時(shí)變化系數(shù)，見(jiàn)表 2.1. 住宅類(lèi)別和衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)每人每日生活用水定小時(shí)變化系數(shù) 額 （最高日）/L b 有大便器、洗滌盆，無(wú)沐浴 設(shè)備 851503.02.5 有大便器、洗滌盆和沐浴設(shè) 備 1302202.82.3 普通 住宅

28、有大便器、洗滌盆、沐浴設(shè) 備和熱水供應(yīng) 1703002.52.0 高級(jí)住宅和別墅3004002.31.8 表 2.1 住宅生活用水定額及小時(shí)變化系數(shù) 根據(jù)表 2.1，一般用戶(hù)的用水定額，可以通過(guò)式（2.8）計(jì)算出給水管網(wǎng)的流 量。 式（2.8）nmx / 24 bQ 式中 n：用戶(hù)數(shù)，戶(hù)； m：每戶(hù)平均人數(shù)，人； x：每戶(hù)用水定額，L； b：小時(shí)變化系數(shù)。 以 500 戶(hù)（n）的小區(qū)為例，樓層為 7 層，高為 20m 左右。由相關(guān)資料得到： 一般居民供水系統(tǒng)的阻力系數(shù)（S）為 0.2 kPa/，選擇表 3.1 中第三個(gè)用 2 3 m / h 戶(hù)類(lèi)型，用水定額（x）為 300L，計(jì)算流量為 37

29、.5，需要的給水系統(tǒng)水 3 m / h（） 壓大約為 4 個(gè)大氣壓。上述計(jì)算方法只能是粗略計(jì)算，給水壓力的設(shè)定在計(jì)算的 基礎(chǔ)上進(jìn)行工程調(diào)試，根據(jù)實(shí)際調(diào)試值得到設(shè)定值。 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 2.2.1 控制方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以 及低壓電器組成。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。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要 求，有以下幾種方案可供選擇： (1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳

30、感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成 在變頻器供水基板上，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。 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。其輸出接口的擴(kuò)展功 能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不 高的小容量場(chǎng)合。 (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

31、，具有較高的性?xún)r(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。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容 量的變頻恒壓供水中。 (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。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶(hù)可靈活組成各種 規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。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(xiàn)，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可

32、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。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng) 的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類(lèi)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)。 理論和實(shí)踐證明，變頻調(diào)速是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，節(jié)電率高，幾年后 就能將因設(shè)計(jì)冗余和用量變化而浪費(fèi)的電能全部節(jié)省下來(lái)。而且，由于變頻調(diào)速 具有調(diào)速精度高，功率因數(shù)高等特點(diǎn)，可以提高出水質(zhì)量并降低物料和設(shè)備的損 耗。同時(shí)，也能減少機(jī)械磨損和噪聲，改善車(chē)間勞動(dòng)條件，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求。 采用變頻調(diào)速可通過(guò)變頻改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度來(lái)改變泵出口流量。由于流量與轉(zhuǎn) 速成正比，而電動(dòng)機(jī)的消耗功率

33、與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此當(dāng)需水量降低時(shí)，電 機(jī)轉(zhuǎn)速降低，泵出口流量減少，電動(dòng)機(jī)的消耗功率大幅度下降，從而達(dá)到節(jié)約能 源的目的。 通過(guò)對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本 系統(tǒng)。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。 2.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn) 場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 2.3 所示： 圖 2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部

34、分， 具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)， 其中由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變 頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定； 工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行 狀態(tài)都無(wú)法滿(mǎn)足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。 (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)。管網(wǎng)水壓信號(hào)反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓 供水控制的主要反饋信號(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。 另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可

35、靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn) 行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào)反映水泵的進(jìn) 水水源是否充足。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。此信號(hào)來(lái)自安裝于水池中的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系 統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 (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。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制 系統(tǒng)的核心。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)

36、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。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變 頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這 臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)， 系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另 一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn) 行在 50Hz

37、時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接 啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可 以選擇，本設(shè)計(jì)中采用前者。 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。由于本系統(tǒng)能適用于 不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、 變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào) 警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由 PLC 判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必 要的損失。 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。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，

38、也可 以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。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。變 頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.4 所示： 圖 2.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)安裝在用戶(hù)供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓， 檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓 供水的關(guān)鍵參數(shù)。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)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信

39、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(hù)供水管 道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 2.2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下: (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖 動(dòng)變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶(hù)管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差 調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與 用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 (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

40、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。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)， 通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(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(hù)管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿(mǎn)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。如果用水量繼續(xù)增加，滿(mǎn)足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生 如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵 M3 投入運(yùn)行，變頻器輸出

41、頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)， 壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。 (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(hù)管網(wǎng)的 實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿(mǎn)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。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且 滿(mǎn)足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵 M3 關(guān)掉。 2.2.4 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(mǎn)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

42、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。 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的 上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。其實(shí)，在 實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 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)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下

43、限 頻率。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。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。 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)。若出現(xiàn) 時(shí)就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就 sf PP 超過(guò)了設(shè)定壓力。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(mǎn)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。如果用水狀況不變，供水泵 站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán) 下去，

44、這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實(shí)際供水 壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。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。另外，實(shí)際供 水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰，這兩種情況都可 能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿(mǎn)足。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。 實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下： 加泵條件： 且延時(shí)判別成立 式 (2.9) UP ff 2 d fs P PP 減泵條件： 且延時(shí)判別成立 式

45、(2.1 LOW ff 2 d fs P PP 0) 式中： ：上限頻率 ：下限頻率 UP f LOW f ：設(shè)定壓力 ：反饋壓力 s P f P 3 3 恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 市網(wǎng)自來(lái)水用高低水位控制器 EQ 來(lái)控制注水閥 YV1，自動(dòng)把水注滿(mǎn)蓄水水池， 只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水池注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給 PLC,作 為高/低水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低相距距離較 大。生活用水和消防用水共用三臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥 YV2 處于斷電狀態(tài)，關(guān)閉消防 管網(wǎng)。三臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，維持生活用水低恒 壓值。當(dāng)火災(zāi)發(fā)

46、生時(shí)，電磁閥 YV2 通電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺(tái)泵供消防用水 使用，并維持消防用水的高恒壓值。火災(zāi)結(jié)束后，三臺(tái)泵再改為生活供水使用， 系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖 3.1 所示。 圖 3.1 雙恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 3.1 系統(tǒng)主要控制要求 三臺(tái)水泵電機(jī)恒壓供水系統(tǒng)的控制要求，主要有以下幾點(diǎn)： （1）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的要求，采取“先開(kāi)先?！钡脑瓌t接入和退出系統(tǒng)。 （2）當(dāng)用水量最小的時(shí)候，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行超過(guò) 5 小時(shí)，則要切換至下一 臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵”功能，避免某一臺(tái)電機(jī)因工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損壞。 （3）三臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要具有軟啟動(dòng)功能。 （4）具有報(bào)警功能。 （5）對(duì)泵的操作要有手動(dòng)功能，

47、手動(dòng)功能只在應(yīng)急或檢修的時(shí)候使用。 3.2 系統(tǒng)的硬件選型 在本系統(tǒng)中，水壓的恒定是靠對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和改變水泵的運(yùn)行 臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。壓力傳感器（變送器）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力，輸出的模擬型號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn) 換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入 PLC，PLC 根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，并相應(yīng)輸出大小適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，該控制信號(hào)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換變成模擬 信號(hào)送給變頻器，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，達(dá)到控制管網(wǎng)恒壓的目的。如果 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步改變，則通過(guò)改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)穩(wěn)定壓力。 根據(jù)控制要求和控制規(guī)模的大小，選用日本三菱的 FX 系列小型 PLC 作為系 統(tǒng)的控制器，模擬量

48、輸入、輸出模塊選用 FX2N-4AD 和 FX2N-2DA，變頻器選用日本 三菱的 FR-A500 系列，壓力傳感器則選擇 TPT503 壓力傳感器。 3.2.1 系統(tǒng)的控制器 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。因此我們?cè)谶x擇 PLC 時(shí)，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié) 議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。FX2N系列屬于 FX 家族中高功能型的子系列，經(jīng)過(guò)擴(kuò)展是黨的功能模塊并使用 PID 指令，完全可以 滿(mǎn)足對(duì)中等規(guī)模恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)模擬量的控

49、制要求。根據(jù)系統(tǒng)的控制規(guī)模和對(duì) I/O 點(diǎn)數(shù)的要求，系統(tǒng)的控制器選擇 FX2N-32MR（16 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，16 點(diǎn)開(kāi)關(guān)量 輸出） 。FX2N-32MR 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性?xún)r(jià)比，廣泛適 用于一些小型控制系統(tǒng)。其具有可靠性高，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。PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換， 用戶(hù)程序有三級(jí)口令保護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┌踩?/p>

50、保護(hù)。FX2N-32MR 的外形如圖 3.2 所示。 圖 3.2 FX2N-32MR 外形 3.2.2 模擬量輸入輸出模塊 （1） 模擬量輸入模塊 模擬量輸入模塊選擇 FX2N-4AD。該模塊有 4 個(gè)輸入通道，其分辨率為 12 位。 可選擇電流獲電壓輸入，通過(guò)用戶(hù)接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)輸入形式的改變。模擬量范圍為： 10V DC （分辨率為 5mV）或 420mA、-2020 mA（分辨率為 20uA） 。轉(zhuǎn)換的 速度最快為 6ms/通道。FX2N-4AD 占用 8 個(gè) I/O 點(diǎn)。 FX2N-4AD 模擬量輸入模塊的高、寬與 FX2NPLC 相同，在安裝時(shí)裝在 FX2NPLC 基本單元的右邊，將總線(xiàn)連接

51、器接入左側(cè)單元的總線(xiàn)插孔中。在 FX 系 列可編程控制器中，與 PLC 連接的特殊同能擴(kuò)展模塊位置從左到右依次編號(hào)（擴(kuò) 展單元不占編號(hào)） ，模擬量信號(hào)可以通過(guò)雙絞線(xiàn)屏蔽電纜接入。 FX2N-4AD 的接線(xiàn)如圖 3.3 所示。 圖 3.3 FX2N-4AD 接線(xiàn)圖 （2） 模擬量輸出模塊 模擬量輸出模塊選擇 FX2N-2DA。該模塊可將 12 位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 2 路模擬量 輸出。模擬量輸出可通過(guò)雙絞線(xiàn)屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)負(fù)載相連。輸出的形式可為電壓 或電流，兩種輸出形式的選擇取決于接線(xiàn)方式。若使用電壓輸出時(shí)，需將 IOUT 端與 COM 端短接。電壓輸出時(shí)，兩個(gè)模塊輸出通道輸出信號(hào)為 010V DC,

52、05V DC；電流輸出時(shí)為 420mA DC。分辨率分別為 2.5 mV（010V DC）和 4uA（420mA） 。數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換特性可進(jìn)行調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度為 4ms/通道。此 模塊需占用 8 個(gè) I/O 點(diǎn)，適用于 FX1N、FX2N和 FX2N子系列。 FX2N-2DA 安裝時(shí)裝在 FX2N基本單元的右邊，F(xiàn)X2N-2DA 將消耗基本單元或電 源擴(kuò)展單元的+5 V DC 電源（內(nèi)部電源）20 mA 電流，+24 V DC 電源 5 mA 電流。 FX2N-2DA 和主單元用電纜在主單元的右邊進(jìn)行連接，如圖 3.4 所示。 圖 3.4 FX2N-2DA 接線(xiàn)圖 3.2.3 變頻器 （1）性

53、能概況 FR-A500 系列在三菱變頻器家族中屬于多功能、通用型、重負(fù)載使用的變頻 器。其功率范圍為 0.4800KW【3 相 380V, FR-A540(L)系列】 ，采用先進(jìn)磁通矢量 控制方式，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá) 1：120（0.560HZ） 。隨機(jī)帶 有一個(gè)簡(jiǎn)易控制面板，也可使用選件 FR-PU04(LCD 顯示，帶菜單功能)，具有可 拆卸式的風(fēng)扇和接線(xiàn)端子，使用維護(hù)方便。超低噪聲運(yùn)行（采用柔性 PWM 方式） ， 內(nèi)置 RS-485，可通過(guò)插卡實(shí)現(xiàn)與 CC-Link、DeviceNet TM、Profibus-DP 和 Modbus plus 的聯(lián)網(wǎng)。操作簡(jiǎn)單，具有參數(shù)

54、復(fù)制及參數(shù)組自選功能，用戶(hù)可自己 選擇讀寫(xiě)的參數(shù)組。該系列變頻器功能強(qiáng)，內(nèi)置 PID 控制、工頻切換順序、停電 減速停車(chē)控制等功能。FR-A500 變頻器的端子接線(xiàn)圖如圖 3.5 所示。 圖 3.5 FR-A500 端子接線(xiàn)圖 變頻器主回路端子說(shuō)明，見(jiàn)表 3.1 所示。 表 3.1 變頻器主回路端子說(shuō)明 端子符號(hào)端子名稱(chēng)說(shuō)明 R,S,T 交流電源輸入連接工頻電源。當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)， 確 保這些端子不連接(FR-HC) U,V,W 變頻器輸出接三相鼠籠電機(jī) R1，S1控制回路電源與交流電源端子R,S連接。在保持異常顯示和異常 輸出時(shí)或當(dāng)使用高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)(FR-HC)時(shí)， 請(qǐng)拆下RR

55、1和S-S1之間的短路片，并提供外部電 源到此端子 P,PR 連接制動(dòng)電阻 器 拆開(kāi)端子 PR-PX 之間的短路片，在 P-PR 之間連接 選件制動(dòng)電阻器(FR-ABR) P,N 連接制動(dòng)單元連接選件 FR-BU 型制動(dòng)單元或電源再生單元(FR- RC)或高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器(FR-HC) P,P1 連接改善功率 因數(shù) DC 電抗器 拆開(kāi)端子 P-P1 間的短路片，連接選件改善功率因 數(shù)用電抗器(FR-BEL) PR,PX 連接內(nèi)部制動(dòng) 回路 用短路片將 PX-PR 間短路時(shí)(出廠設(shè)定)內(nèi)部制動(dòng)回 路便生效(7.5K 以下裝有) 接地變頻器外殼接地用，必須接大地 控制回路端子說(shuō)明，見(jiàn)表 3.2 所

56、示。 表 3.2 控制回路端子說(shuō)明 類(lèi)型端 子 記 號(hào) 端子名稱(chēng)說(shuō)明 ST F 正轉(zhuǎn)啟動(dòng)STF信號(hào)處于ON便正轉(zhuǎn)，處 于OFF便停止。程序運(yùn)行模 式時(shí)為程序運(yùn)行開(kāi)始信號(hào), （ON開(kāi)始，OFF靜止） ST R 反轉(zhuǎn)啟動(dòng)STR信號(hào)ON為逆轉(zhuǎn)，OFF為停 止 當(dāng)STF和STR 信號(hào)同時(shí)處 于ON時(shí),相 當(dāng)于給出停 止指令。 ST OP 啟動(dòng)自保持選擇使 STOP 信號(hào)處于 ON,可以選擇啟動(dòng)信號(hào)自 保持 RH ， RM ， RL 多段速度選擇用 RH,RM 和 RL 信號(hào)的組合 可以選擇多段速度。 JO G 點(diǎn)動(dòng)模式選擇JOG信號(hào) ON 時(shí)選擇點(diǎn)動(dòng)運(yùn) 行（出廠設(shè)定）。用啟動(dòng)信 號(hào)（STF和STR）

57、可以點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行。 RT 第 2 加/減速時(shí)間選 擇 RT信號(hào)處于ON時(shí)選擇第2加 減速時(shí)間。設(shè)定了第2力矩 提升第2V/F(基底頻率) 時(shí)，也可以用RT信號(hào)處于ON 時(shí)選擇這些功能。 輸入端子功 能選擇 (Pr.180Pr. 186) 用于改變端 子功 MR S 輸出停止MRS信號(hào)為ON（20ms以上）時(shí)，變頻器輸 出停止。用電磁制動(dòng)停止電機(jī)時(shí)，用于斷 開(kāi)變頻器的輸出。 輸 入 信 號(hào) 啟 動(dòng) 接 點(diǎn). 功 能 設(shè) 置 RE 復(fù)位用于解除保護(hù)回路動(dòng)作的保持狀態(tài)。使端 S 子 RES 信號(hào)處于 ON 在 0.1 秒以上,然后斷 開(kāi)。 AU 電流輸入選擇只在端子AU信號(hào)處于ON時(shí)， 變頻器才可用直流

58、4-20mA作 為頻率設(shè)定信號(hào)。 CS 瞬停電再啟動(dòng)選擇CS信號(hào)預(yù)先處于ON，瞬時(shí)停 電再恢復(fù)時(shí)變頻器便可自動(dòng) 啟動(dòng)。但用這種運(yùn)行必須設(shè) 定有關(guān)參數(shù)，因?yàn)槌鰪S時(shí)設(shè) 定為不能再啟動(dòng)。 輸入端子功 能選擇 (Pr.180Pr. 186)用于改 變端子功能。 SD 公共輸入端子（漏 型） 接點(diǎn)輸入端子和 FM 端子的公共端。直流 24V,0.1A(PC 端子)電源的輸出公共端. PC 直流24V電源和外部 晶 體管公共端接點(diǎn)輸 入公共端（源型） 當(dāng)連接晶體管輸出（集電極開(kāi)路輸出）， 例如可編程控制器時(shí)，將晶體管輸出用的 外部電源公共端接到這個(gè)端子時(shí),可以防 止因漏電引起的誤動(dòng)作,這端子可用于直 流2

59、4V,0.1A電源輸出。當(dāng)選擇源型時(shí)，這 端子作為接點(diǎn)輸入的公共端。 10 E 10VDC, 容許負(fù)荷電流 10mA 10 頻率設(shè)定用電源 5VDC, 容許負(fù)荷電流 10mA 按出廠設(shè)定狀態(tài) 連接頻率設(shè)定電 位器時(shí),與端子10 連接。 當(dāng)連接到 10E 時(shí), 請(qǐng)改變端子 2 的 輸入規(guī)格。 2 頻率設(shè)定（電壓）輸入05VDC(或010VDC)時(shí)5V(10VDC)對(duì) 應(yīng)于為最大輸出頻率。輸入輸出成比例。 用參數(shù)單元進(jìn)行輸入直流05V(出廠設(shè)定) 和010VDC的切換。輸入阻抗10K,容許 最大電壓為直流20V。 4 頻率設(shè)定（電流）DC420mA,20mA為最大輸出頻率,輸入,輸 出成比例.只在

60、端子AU信號(hào)處于ON時(shí),該輸 入信號(hào)有效,輸入阻抗250, 容許最大電 流為30mA。 1 輔助頻率設(shè)定輸入05VDC或010VDC時(shí),端子2或4 的頻率設(shè)定信號(hào)與這個(gè)信號(hào)相加。用參數(shù) 單元進(jìn)行輸入05VDC或010VDC(出廠 設(shè)定)的切換。輸入阻抗 10K,容許電壓 20VDC。 模 擬 頻 率 設(shè) 定 5 頻率設(shè)定公共端頻率設(shè)定信號(hào)(端子 2,1 或 4)和模擬輸出 端子 AM 的公共端子。請(qǐng)不要接大地。 輸 出 接 點(diǎn) A, B, 異常輸出指示變頻器因保護(hù)功能動(dòng) 作而輸出停止的轉(zhuǎn)換接點(diǎn). C AC200V 0.3A,30VDC 0.3A,異常時(shí):B-C間不導(dǎo) 通(A-C間導(dǎo)通),正常時(shí)