恒壓變頻無塔供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄文摘 2 一、緒論 3（一）選題背景 3（二）.本課題研究的內(nèi)容 3二、水泵變頻節(jié)能理論 Q*he%w   4（一）供水系統(tǒng)的主要參數(shù) 4（二）供水系統(tǒng)特性曲線和工作特點(diǎn) 4 三、 PLC的基本知識(shí) 6四、變頻調(diào)速技術(shù) 10五、P I D 調(diào)節(jié)原理 11六、變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12(一)、系統(tǒng)總體方案的確定 12（二）、系統(tǒng)主要配置的選型 12（三）、主電路設(shè)計(jì)方 13（四）控制電路設(shè)計(jì)方案 14七、總結(jié) 25參考文獻(xiàn) 25致謝 26變頻恒壓無塔供水控制系統(tǒng)摘 要：介紹了一種由PLC、變頻器，信號(hào)傳感器，高性能電器元件、水冷水潤(rùn)滑式水泵機(jī)組和供水管網(wǎng)等組成的變頻恒壓供水

2、系統(tǒng)。論述了水泵變頻節(jié)能理論 Q*he%w  。介紹了變頻供水系統(tǒng)的工作原理，即由壓力傳感器將水泵出口的水壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋給PLC控制系統(tǒng)控制變頻器變頻，而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)，使水泵的出口水壓始終保持在設(shè)定的壓力值允許誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓變量或變壓恒量供水。關(guān)鍵詞流量 水壓 PLC 變頻調(diào)速 PID控制 一、緒論（一）選題背景OjZ_V:0*)79S隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和生活水平的提高，加上居住小區(qū)推行一戶一表供水以后，對(duì)市政管網(wǎng)供水的可靠性（壓力、流量）要求越來越高，各種分散或集中加壓設(shè)施也逐漸增多。在這些加壓設(shè)施中，采用調(diào)節(jié)水池加上變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)（

3、以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)）變量供水方式已顯現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。在居民生活用水、工業(yè)用水、各類自來水廠、油田、油庫(kù)、鍋爐定壓供熱和恒壓補(bǔ)水噴淋及消防等供水系統(tǒng)中，采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱、氣壓增壓等設(shè)備，不但占地面積和設(shè)備投資大，維護(hù)困難，且不能滿足高層建筑、工業(yè)、消防等高水壓、大流量的快速供水需求，例如：當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。另一方面，由于供水量的隨機(jī)性，采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實(shí)時(shí)性，且水泵的選取往往是按最大供水量來確定，而高峰用水時(shí)間較短，這樣水泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)有較大余量，不僅水泵效率低，供水壓力不穩(wěn)，而且造成大量電力浪費(fèi)。這里介紹一種

4、由可編程控制器控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)，它既能提高水泵效率，節(jié)約能源，又能保障可靠供水，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)在近幾十年來迅猛發(fā)展起來的電力拖動(dòng)先進(jìn)技術(shù)，業(yè)已廣泛應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大提高，它可以實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備軟啟軟停，不僅可以降低設(shè)備故障率，還可以大幅減少電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。 ;Peyo1  長(zhǎng)期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。在小區(qū)供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點(diǎn)的水壓要求來確定相應(yīng)的揚(yáng)程設(shè)計(jì)，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)

5、行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時(shí)段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術(shù)在給水泵站上應(yīng)用，成功地解決了能耗和污染的兩大難題。 PO&r r   （二）.本課題研究的內(nèi)容 茂名二技隨著我國(guó)技工教育事業(yè)的發(fā)展，校區(qū)面積迅速擴(kuò)大，在校生人數(shù)規(guī)模快速增長(zhǎng)到了6000人以上，形成了三片大的學(xué)生公寓區(qū)，成一個(gè) “品”字形分布，公寓區(qū)的相互距離較遠(yuǎn)。校的供水系統(tǒng)也隨著公寓區(qū)的建設(shè)，形成了三個(gè)獨(dú)立的供水系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)存在的主要問題有，公寓區(qū)仍然采取傳統(tǒng)的水塔高位水箱供

6、水方式。存在能耗大，維護(hù)不方便，電機(jī)的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊大的缺點(diǎn):另外，各供水系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)，學(xué)校水電管理部門平時(shí)只能定期尋查，不能及時(shí)有效地掌握各供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，往往是等用水部門打電話來才知道系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法供水，造成系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低:而且系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行中的一些參數(shù)也無法監(jiān)控與記錄。 為滿足茂名二技對(duì)供水質(zhì)量的要求，降低單位供水能耗，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、可靠、穩(wěn)定的供水，需要利用變頻恒壓供水技術(shù)對(duì)其設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造。在實(shí)現(xiàn)過程中主要研究并解決以下問題： I、研究并完成利用PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表和多臺(tái)水泵機(jī)組等主要設(shè)備構(gòu)建變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)備選型與方案設(shè)計(jì)，為提高變頻器的使用效率，減少

7、設(shè)備投資，采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行的方案; 2、深入分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的工況變化過程，確定工況轉(zhuǎn)換方式，完成PLC控制程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)水泵的變頻起動(dòng)，保證水泵從變頻到工頻的可靠、安全的切換; 3、設(shè)定PID調(diào)節(jié)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，維持供水壓力恒定; 4、加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的冗余度，設(shè)計(jì)自動(dòng)工頻運(yùn)行方式和手動(dòng)運(yùn)行方式作為系統(tǒng)全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行的備用方案，在故障時(shí)作為應(yīng)急處理，維持供水;通過該項(xiàng)目的研究和實(shí)施可以極大地改善校內(nèi)供水的可靠性和穩(wěn)定性，降低能耗及維護(hù)成本。二、水泵變頻節(jié)能理論 Q*he%w（一）供水系統(tǒng)的主要參

8、數(shù)有:1.流量Q 流量單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是m3/min2揚(yáng)程 H 揚(yáng)程也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。常用單位是m.3.實(shí)際揚(yáng)程HB 實(shí)際揚(yáng)程供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位 h:與最低水位 h，之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即:HB=h2- hl-4.全揚(yáng)程HT 全揚(yáng)程水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位 h3與吸入口的水位 h0之間的水位差。全揚(yáng)程的大小說明了水泵的泵水能力。即:HT=h3-ho.5.損失揚(yáng)程HL 全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。HB, HT, HL之間的關(guān)系是: HT =HB十HL。供水系統(tǒng)

9、為了保證供水，其全揚(yáng)程必須大于實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失:6.管阻R 閥門和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力。和閥門開度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計(jì)算，常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。7.壓力P 表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。（二）供水系統(tǒng)特性曲線和工作特點(diǎn)水泵、風(fēng)機(jī)都是二次方率負(fù)載，其變頻調(diào)速技術(shù)有共性。供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。調(diào)節(jié)流量的方法常見的有兩種，分別是閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。1、閥門控制法閥

10、門控制法是通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是：水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來改變供水的能力（反映為供水流量），以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。揚(yáng)程特性是指揚(yáng)程H與水泵中水的流量Q的關(guān)系，如圖2-1中的曲線和?？梢钥闯?，流量增大，揚(yáng)程降低。管阻特性則是指在管道對(duì)水流的阻力與流量的關(guān)系。通常，在管阻一定情況下，揚(yáng)程H與流量的關(guān)系是一族曲線如圖2-1中的曲線和?？梢钥闯觯诠茏枰欢ㄇ闆r下，流量增大，揚(yáng)程升高。圖中表明，如用戶所需流量從QN減小到QA，當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻

11、特性將由曲線改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性則保持為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)由N點(diǎn)移至A點(diǎn)，這時(shí)流量減小了，但揚(yáng)程卻從HN變?yōu)镠E。由圖可知，供水功率PG的節(jié)省與面積ODNHN和面積OEAHE之差成正比，即與面積EDNK和面積AKHNHE之差成正比。2、轉(zhuǎn)速控制法轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為最大開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的全揚(yáng)程來適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以圖2-1中用戶用戶所需流量從QN減小到QA為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性下降為圖2-1曲線，管阻特性則仍為曲線，故工作點(diǎn)移至B點(diǎn)?？梢娫谒繙p

12、小為QE的同時(shí)，所需揚(yáng)程減少為HC。供水功率PG的節(jié)省與面積ODNHN和面積OEBHC之差成正比，即與面積EDNK和面積BKHNHC之和成正比。當(dāng)然，上面討論，以最低揚(yáng)程必須能保證所有用戶的需求為基礎(chǔ)。3、幾點(diǎn)結(jié)論（1）供水功率的比較可以看出：在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的所需揚(yáng)程比閥門控制時(shí)小得多，所以，轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。（2）從水泵的工作效率看節(jié)能當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時(shí),其效率曲線如圖2-2中的曲線所示.當(dāng)流量Q*=60%時(shí),其效率將降至B點(diǎn).可見,隨著流量的減小,水泵工作效率的降低是十分顯著

13、的.而在轉(zhuǎn)速控制方式下,由于在閥門開度不變的情況下,流量Q*和轉(zhuǎn)速n*是成正比,比值Q*/n*不變.其效率曲線因轉(zhuǎn)速而變化,在60%時(shí)的效率曲線如圖2-2中的曲線所示. 當(dāng)流量Q*=60%時(shí),效率由C點(diǎn)決定,它和Q*=100%的效率(A點(diǎn))是相等的也就是說,采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí),水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài).所以,轉(zhuǎn)速控制法與閥門控制法相比,水泵的工作效率要大得多.這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面.H?PaN)_6-+三、 PLC的基本知識(shí)（六）編程語(yǔ)言的介紹1、指令語(yǔ)句的格式：步序 助記符 操作對(duì)象。 如：0 LD X0 2梯形圖 如右圖：3流程圖 如下圖：4、編程舉例（3）編寫

14、梯形圖程序四、變頻調(diào)速技術(shù)（一）<d8 Yk>R V;"'!dVX（一（交流電機(jī)方案 iaB5t<t1r  mIyaoIE|$交流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s 為轉(zhuǎn)差率，p為磁極對(duì)數(shù)。 >97N $  因此電機(jī)的調(diào)速方案有三種，（1）改變轉(zhuǎn)差率s；（2）改變磁極對(duì)數(shù)p；（3）調(diào)頻調(diào)速，?V0Iry當(dāng)s 、p為定值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速n和交流電頻率f 成正比，使用變頻器來改變交流電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)變頻無級(jí)調(diào)速。 Dg6o  yZ.GgC&（二）變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式三相異

15、步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系同變壓器類似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的副繞組。定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1的幅值為：E1=4.44KN1f1N1m 式中：f1為電網(wǎng)的頻率；KN1為定子繞組系數(shù)；m為通過每相繞組的磁通最大值，在數(shù)值上等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通。在異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，一個(gè)很重要的因素是希望保持每極磁通為額定值。為什么呢？因?yàn)槭街校?KN 1和N1是不變的，而E1、f1和m是可變的。如果不保持每極磁通為額定值，而是欲保持定子每相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1不變時(shí)，f1和之間有什么關(guān)系呢？如果f1變大，大于電動(dòng)機(jī)的額定頻率（又稱基頻）f1N，定子內(nèi)阻抗變大，定子電流變小，導(dǎo)致氣隙磁通最大

16、值，m變小，小于額定氣隙磁通最大值。這樣，電動(dòng)機(jī)鐵芯的效能沒有得到充分利用，而且磁通減小也會(huì)使電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩下降。如果f1變小，小于電動(dòng)機(jī)的額定頻率f1N，定子內(nèi)阻抗變小，定子電流變大，導(dǎo)致氣隙磁通最大值m變大，大于額定氣隙磁通最大值。這樣，電動(dòng)機(jī)鐵芯產(chǎn)生過飽和，這就意味著勵(lì)磁電流會(huì)過大，導(dǎo)致繞組過分發(fā)熱，造成系統(tǒng)的功率因數(shù)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使定子繞組過熱而燒壞。因此，要實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，應(yīng)保持氣隙磁通最大值m不變。因此，變頻就有兩種情況：1、在基頻以下調(diào)速，保持氣隙磁通最大值m不變，讓頻率f1從基頻往下調(diào)時(shí)，必須同時(shí)降低E1，使E1/f1（壓頻比）保持不變。保持氣隙磁通最大值m不變，就

17、意味著勵(lì)磁電流不變，也就意味著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩不變，所以，在基頻以下調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性具有恒轉(zhuǎn)矩特性。2、在基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，不可能繼續(xù)保持E1/f1（壓頻比）的的值不變，因電壓U1不能超過額定電壓UN。這時(shí)只能保持電壓U1不變，使氣隙磁通最大值m頻率升高而降低，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速升高，最大轉(zhuǎn)矩減少，輸出功率基本不變。所以，基頻以上調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速。3、PWM控制技術(shù)所謂PWM，是Pulse Width Modulation的簡(jiǎn)稱，它是通過改變輸出脈沖的寬度和占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓的一種方式，調(diào)節(jié)過程中，逆變器負(fù)責(zé)調(diào)頻調(diào)壓。目前普遍應(yīng)用的是脈寬按正弦規(guī)律變化的正弦脈寬調(diào)制方式，

18、即SPWM方式。中小容量的通用變頻器幾乎全部采用此類的變頻器。（1）、PWM產(chǎn)生原理：左圖為SPWM電壓等效正弦電壓原理圖（2）、單極性SPWM控制方式：如下圖所示上圖為單極性PWM控制方式原理圖 五、P I D 調(diào)節(jié)原理在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用（一）三類常規(guī)控制器1、比例(P r o p o r t i o n a l) 控制器，簡(jiǎn)稱為P控制器。比例控制器其輸出與偏差成比例u(t)=Kce(t)+u0,式中，u(t)為輸出信號(hào)；e(t)為設(shè)定值與測(cè)量變送信號(hào)之差；Kc為控制器增益；u0為當(dāng)偏差e(t)為零時(shí)的輸出信號(hào)值，它反映了比例工作點(diǎn)。工業(yè)用控制器，不用Kc而用比例度PB來進(jìn)行刻度，PB=

19、100/Kc。通常1PB500。2、比例積分（P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l）控制器，簡(jiǎn)稱PI控制器。算式為式中Ti為積分時(shí)間。3、（P r o p o r t i o n a l I n t e g r a l D e r i v a t i v e），簡(jiǎn)稱PID控制器。比例積分控制器中，約有75%是采用PI作用的。積分會(huì)消除余差，但總是有些滯后的。比例積分微分控制器：PI作用消除了余差，但降低了響應(yīng)速度。在這種情況下附加微分作用它來補(bǔ)嘗容量滯后，使系統(tǒng)穩(wěn)定性改善，從而允許使用高的增益，并提高響應(yīng)速度。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有P I D調(diào)

20、節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。3、 P I D 控制及其控制算法在連續(xù)控制系統(tǒng)中， 常采用P r o p o r t i o n a l ( 比例) 、 I n t e g r a l ( 積分) 、 D e r i v a t i v e ( 微分) 控制方式， 稱之為P I D控制。P I D控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。（1）模擬P I D 控制及算法 P I D控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下: 1 ) . 比例環(huán)節(jié): 成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信

21、號(hào)的作用， 偏差e ( t ) 一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。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(shù)K p 的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2 ) . 積分環(huán)節(jié): 表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。 只要偏差存在， 控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti , Ti 越大， 積分作用越弱， 易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。 3 ) 微分環(huán)節(jié):對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(

22、變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間， 改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 但過大的T D 對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱 。 P I D的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。 （2 ）數(shù)字 P I D控制算法 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)

23、算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)P I D控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字P I D控制算法是通過對(duì)式( ( 3 -5 ) 離散化來實(shí)現(xiàn)的。六、變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(一)、系統(tǒng)總體方案的確定1.總體要求：( 1 )由多臺(tái)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍600m3 / h ，揚(yáng)程6 0 米左右( 2 ) 設(shè)置一臺(tái)小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水;( 3 )供水壓力要求恒定，尤其在換泵時(shí)波動(dòng)要小;( 4 ) 系統(tǒng)能自動(dòng)可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動(dòng)功能;( 5 )各主泵均能可靠地實(shí)觀軟啟動(dòng);( 6 )具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能;( 7 )系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能; 2、方案的確定 （1）

24、多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的：首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少;其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便; 其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量;其四，只須按單臺(tái)泵來配置變頻器容量，減少投資。（2）處于供水低谷小流量或夜間小流量時(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺(tái)小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。（3）多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的P L C通過編程來實(shí)現(xiàn)。（4）供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、P I D調(diào)節(jié)器和變頻器

25、組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓。（5）為了減少對(duì)泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動(dòng)蝶閥，先啟水泵后打開電動(dòng)碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)碟閥后停機(jī).綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備P L C和變頻器作為主要控制設(shè)備來設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)， 其總體結(jié)構(gòu)如1-1所示。該系統(tǒng)由PLC控制器、變頻調(diào)速器、壓力變送器、水位變送器、交流接觸器等其它電控設(shè)備以及3臺(tái)水泵（水泵數(shù)量可以根據(jù)需要設(shè)置）、一臺(tái)小流量輔助泵、水冷水潤(rùn)滑式水泵機(jī)組和供水管網(wǎng)等組成。（二）、系統(tǒng)主要配置的選型1、水泵機(jī)組的選型 根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大

26、小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量和設(shè)計(jì)供水壓力(水泵揚(yáng)程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用 3臺(tái)主水泵機(jī)組和 1臺(tái)輔助泵機(jī)組。查找相關(guān)水泵機(jī)組參數(shù)表，確定主泵機(jī)組型號(hào)為150SFL160-20x4，輔助泵機(jī)組為50SFL12-15x52. 變頻器的選型（1).容量確定為55KW（2).型號(hào)選擇選三菱FR-F5OO型，適用于水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)載，其功能具有：采用最適磁通控制方式，實(shí)現(xiàn)更高節(jié)能運(yùn)；內(nèi)置軟PID，變頻/工頻切換和多泵循環(huán)運(yùn)行功能；柔性PWM，實(shí)現(xiàn)更低噪聲運(yùn)行；內(nèi)置RS485通信口；75KW以上隨機(jī)有DC阻抗器。3、PLC的選型 依據(jù)控制任務(wù)，從PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量

27、、輸入/輸出接口模塊類型等方面等來選擇PLC型號(hào)。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選擇三菱FX2N-32MR及擴(kuò)展輸出模塊FXZN-16EYR，F(xiàn)XZN-32MR主要參數(shù)及特點(diǎn): I/O點(diǎn)數(shù):16/16;用戶程序步數(shù):4K; 基本指令:27條;功能指令:298條;基本指令執(zhí)行時(shí)間:0.08微秒;通信功能:強(qiáng);輸出形式:繼電型;輸出能力:2A/點(diǎn);擴(kuò)展輸出模塊FX2N-16EYR有 16個(gè)輸出點(diǎn);4 壓力變送器及數(shù)顯儀的選型選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。壓力表測(cè)量范圍0-1MP，精度 1.5;數(shù)顯儀輸出一路 4-20mA電流信號(hào)，送給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反

28、饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上下、限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。（三）、主電路設(shè)計(jì)方案 三臺(tái)大容量的主水泵(1#, 2#, 3#)根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)，注意：每臺(tái)主水泵的兩個(gè)接觸器都一定要進(jìn)行接觸器聯(lián)鎖，即KM1與KM2、KM3與KM4、KM5與KM6必須相互聯(lián)鎖，否則有可能會(huì)因接觸器故障而造成變頻器的輸出端接上電源輸入端而損壞;輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過一個(gè)接觸器接入工頻。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來確定。 QF0、QF1, QF2, QF3, QF4, Q

29、F5,分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣開關(guān)，F(xiàn)R1, FR2, FR3, FR4為電機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來實(shí)現(xiàn)電機(jī)過載保護(hù)。 變頻器的主電路輸出端子(U, V, W)經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子(U, V, W)的相序，否則無法工作。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的配線長(zhǎng)度應(yīng)控制在100m以內(nèi)。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)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(guān)QF2的通斷來進(jìn)行。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的(Pl, P+)端子之間接入需相應(yīng)的DC電抗器。變頻器接地端子

30、必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。 在電動(dòng)機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機(jī)工作電流大小;設(shè)計(jì)三相電源信號(hào)指示。（四）控制電路設(shè)計(jì)方案1、控制電路的原理及系統(tǒng)運(yùn)行過程（1）控制電路的原理由壓力傳感器將水泵出口的水壓轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋給PLC控制系統(tǒng)控制變頻器變頻，而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行水泵的臺(tái)數(shù)，使水泵的出口水壓始終保持在設(shè)定的壓力值允許誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓變量或變壓恒量供水。即在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測(cè)出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測(cè)模塊，檢測(cè)壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號(hào)，將檢測(cè)的壓力信號(hào)與設(shè)定的壓力信號(hào)經(jīng)過PI

31、D運(yùn)算后，通過控制變頻器的輸出頻率來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；自動(dòng)檢測(cè)水池水位信號(hào)與設(shè)定的水位低限比較，輸出水位低報(bào)警信號(hào)或直接停機(jī)。該系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，尤其是強(qiáng)電邏輯硬件互鎖功能，從而保證正常供水，且可以做到無人值守。（2）系統(tǒng)運(yùn)行過程1）設(shè)備啟動(dòng)后，首先某一臺(tái)主泵在變頻調(diào)速器控制下，投入變速運(yùn)行，只有當(dāng)輸出壓力達(dá)到預(yù)定值至其流量與用水流量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到某一值。2）當(dāng)用水流量增加時(shí)，主泵按設(shè)定速率（曲線）加速到另一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；而用水量小時(shí)，主泵按設(shè)定的速率（曲線）減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。3）當(dāng)變速運(yùn)行主泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速后，用水

32、量進(jìn)一步增加時(shí)，該主泵轉(zhuǎn)換到工頻電源后恒速運(yùn)行；變頻調(diào)速器則轉(zhuǎn)換到控制另一臺(tái)主泵，使之投入變速運(yùn)行。每當(dāng)變速運(yùn)行的主泵轉(zhuǎn)速到最大時(shí)，將發(fā)生如上的轉(zhuǎn)換 并有新的主泵投入并聯(lián)運(yùn)行。4）當(dāng)變速運(yùn)行主泵的轉(zhuǎn)速，因用水量減小而達(dá)到臨界低轉(zhuǎn)速后，用水量時(shí)一步減小，則PLC將控制停掉先開的一臺(tái)主泵，遵守先開先停，后開后停原則；直到剩下一臺(tái)主泵為止。5）當(dāng)只有一臺(tái)主泵變速運(yùn)行，且用水量接近于零時(shí)，產(chǎn)泵轉(zhuǎn)速達(dá)到臨界低轉(zhuǎn)速時(shí)（這時(shí)變速運(yùn)行主泵處于最小工作轉(zhuǎn)速）。此主泵也被停泵而啟用小容量輔助泵運(yùn)行，以期節(jié)能和減少設(shè)備的無效運(yùn)行。2、PLC的程序設(shè)計(jì)（1）PLC的I/O端子接線圖及變頻器的端子接線圖（2）、PLC的

33、流程圖設(shè)計(jì)上圖為PLC 的狀態(tài)流程圖（3）步進(jìn)梯形圖、指令語(yǔ)句表、程序輸入及調(diào)試（略）下圖為手動(dòng)及報(bào)警程序3、變頻器參數(shù)設(shè)置（1）變頻器參數(shù)的了解)m|)cLT& FN*x:g 1（ Tq:  Y7Bm1 )最高頻率: 水泵屬于平方律負(fù)載，轉(zhuǎn)矩Tn2，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速10%（n=1.1nN）時(shí)，轉(zhuǎn)矩將超過額定轉(zhuǎn)矩21%，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。因此，變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。即fmax=fN=50HZ2 ) .上限頻率: 與生產(chǎn)機(jī)械所要求的最高轉(zhuǎn)速相對(duì)的頻率稱為上限頻率，它不是最高頻率。 由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差

34、補(bǔ)償功能，在5 0 H z的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速， 從而增大了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，因此實(shí)際預(yù)置得略低于額定頻率。上限頻率預(yù)置為49HZ或49.5HZ是適宜的。3 ) .下限頻率:在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低， 會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程 ( 實(shí)際揚(yáng)程) ，形成水泵“ 空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率不能太低，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。下限頻率預(yù)置為25HZ35HZ合適。 4 ) .啟動(dòng)頻率:水泵在啟動(dòng)前，其葉輪全部在水中，啟動(dòng)時(shí)， 存在著一定的阻力，在從0H z開始啟動(dòng)的一段頻率內(nèi)，實(shí)際上轉(zhuǎn)不起來。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動(dòng)頻率值，使其在啟動(dòng)瞬間有一點(diǎn)沖擊力。.啟

35、動(dòng)頻率預(yù)置為5HZ。5）加速與減速時(shí)間一般來說，水泵不屬于頻繁啟動(dòng)與制動(dòng)的負(fù)載，其加速時(shí)間與減速時(shí)間的長(zhǎng)短并不涉及生產(chǎn)效率的問題。因此，加速時(shí)間與減速時(shí)間可以適當(dāng)?shù)仡A(yù)置得長(zhǎng)一些，且可相等。通常決定加速時(shí)間的原則是：在啟動(dòng)過程中，其最大啟動(dòng)電流接近或略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間不相同，設(shè)定時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過電流、在減速時(shí)過電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過 Fs"i fn0  長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)

36、定狀態(tài)中。 SSxp!E'  為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過長(zhǎng)，它所帶來的問題很容易被設(shè)備外表的正常而掩蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運(yùn)行狀態(tài)。所以現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)不同，測(cè)試出負(fù)載的允許最短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間。 *6|2  6）暫停（睡眠與蘇醒）功能在生活供水系統(tǒng)中，夜間的用水量常常是很少的，即使水泵在下限頻率下運(yùn)行，供水壓力仍可能超過目標(biāo)值，這時(shí)可使主水泵暫停運(yùn)行。7）、合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于壓力控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)

37、壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制，另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。兩者如何選擇，我們來簡(jiǎn)單分析一下/*P) C'_M： 管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定時(shí)，管網(wǎng)用水量由QMAX減少到Q1，水泵降低轉(zhuǎn)速，與用水管路特性曲線A（不變）相交于點(diǎn)C，水泵特性曲線下移，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力H0。而泵出口壓力恒壓控制時(shí)，則Ha不變，用水量由QMAX減少到Q1與Ha交于B點(diǎn)，用水管路特性曲線A上移并通過B點(diǎn)，管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力變?yōu)镠b，Hb - H0的揚(yáng)程差即為能量浪費(fèi)，所以選擇管網(wǎng)最不利點(diǎn)的最小水頭為壓力控制參數(shù)，形成閉環(huán)壓力自控系統(tǒng)，使得水泵的轉(zhuǎn)速與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定壓力相匹配，可以達(dá)到最大節(jié)

38、能效果，而且實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目的。 TLz4;TRk5agt/;>q8）變頻器的PID控制 PID就是比例微積分控制，通過變頻器實(shí)現(xiàn)PID控制有兩種情況：一是變頻器內(nèi)置的PID控制功能，給定信號(hào)通過變頻器的端子輸入，反饋信號(hào)也反饋給變頻器的控制端，在變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以改變輸出頻率；二是外部的PID調(diào)節(jié)器將給定量與反饋量比較后輸出變頻器加到控制端子作為控制信號(hào)?？傊?，變頻器的PID控制是與傳感器元件構(gòu)成的一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在溫度、壓力等參數(shù)要求恒定的場(chǎng)合應(yīng)用十分廣泛，變頻器在節(jié)能方面常用的一種方法。"3C)Nz?小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)通常是由水池、離心泵（主泵+休眠泵）、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)器、變頻器（主泵+休眠泵）、管網(wǎng)組成（如圖1）。工作時(shí)反饋值與目標(biāo)值比較，并按預(yù)置的PID值調(diào)整變頻器的給定信號(hào)，從而達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的作用。即8g'v$wG 工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)因用水量的變化引起的水壓變化，及時(shí)將信號(hào)（4-20mA或0-10V）反饋PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器對(duì)比設(shè)定控制壓力進(jìn)行運(yùn)算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水泵的運(yùn)行或轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。（2）變頻器參數(shù)設(shè)置基本功能參數(shù)設(shè)定；參數(shù)號(hào)意義Pr1=49Hz上限頻率.Pr2=30Hz下限頻