基于PLC控制的無塔變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)基于PLC控制的無塔變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計第一章緒論1.1概述隨著改革開放的不斷深入，我國中小城市的城市建設(shè)及其經(jīng)濟迅猛發(fā)展，人們生活水平不斷提高，同時，城市需水量日益加大，對城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求。供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟節(jié)能性直接影響到城區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟的發(fā)展，也影響到城區(qū)居民的正常工作和生活。我國中小城市城市傳統(tǒng)的供水方式主要采用恒速泵加壓供水以及水塔高位供水等，恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負(fù)荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，影響城市整體規(guī)劃，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，且能耗大。綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟生活的需要。當(dāng)前，隨著可編程序控制器(PLC)技術(shù)的發(fā)展，由于其高可靠性、高性價比、廣泛的工業(yè)現(xiàn)場適應(yīng)性方便的工藝擴展性能，PLC在工業(yè)自動控制過程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時，交流異步電動機變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，與以往任何調(diào)速方法相比具有節(jié)能效果明顯、調(diào)速過程簡單、起動性能優(yōu)越、自動化程度高等許多優(yōu)點。因此將PLC及變頻器應(yīng)用于供水系統(tǒng)，可滿足城市供水系統(tǒng)對可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟節(jié)能性的要求。1.2問題的提出及解決方案張家口市地處河北省西北部山區(qū)，城市人口約45萬人，過去為軍事重地，改革開放較晚，屬經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)地區(qū)。改革開放后，張家口加快了城市建設(shè)步伐。但城市供水系統(tǒng)陳舊，城區(qū)管網(wǎng)多采取傳統(tǒng)的水塔高位供水方式。水塔分布在市區(qū)內(nèi)，不僅影響城市整體規(guī)劃，且存在能耗大，維護不方便，電機的啟動電流對電網(wǎng)沖擊大的缺點；各供水系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)，不能及時有效地掌握各供水系統(tǒng)的運行狀況，系統(tǒng)運行可靠性低，故障排除慢，系統(tǒng)運行中的一些參數(shù)也無法監(jiān)控與記錄。為滿足城市需水量日益加大的要求，供水公司決定興建新水源——在距市區(qū)南17公里的洋河邊打井取水，并經(jīng)西泵站二次加壓為城區(qū)供水。同時為降低單位供水能耗，實現(xiàn)全自動、可靠、穩(wěn)定的供水，需要利用變頻恒壓供水技術(shù)對原供水系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造，采用PLC控制并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理及故障遠(yuǎn)程報警。在實現(xiàn)過程中主要研究并解決以下問題。1、研究并完成利用PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表和多臺水泵機組等主要設(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，為提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備投資，采用一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行的方案。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，實現(xiàn)水泵的變頻起動，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)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，維持供水壓力恒定。4、研究PLC和計算機的通信模式，確定通信協(xié)議，開發(fā)通信與監(jiān)控軟件，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理與報警。5、加強系統(tǒng)的可靠性設(shè)計，提高系統(tǒng)的冗余度，設(shè)計自動工頻運行方式和手動運行方式作為系統(tǒng)全自動變頻恒壓運行的備用方案，在故障時作為應(yīng)急處理，維持供水。通過該項目的研究和實施可以極大地改善城區(qū)供水的可靠性和穩(wěn)定性，降低能耗及維護成本，方便管理。具有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。1.3相關(guān)技術(shù)概況1.3.1對于由繼電器控制裝置構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)，每一次設(shè)計或改進(jìn)都直接導(dǎo)致繼電器控制裝置的重新設(shè)計和安裝，十分費時，費工，費料，甚至阻礙了更新周期的縮短。因此，可編程控制器這一新的控制裝置應(yīng)運而生，并取代了繼電器控制裝置?？删幊炭刂破?PLC)是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置。它將傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)與計算機技術(shù)結(jié)合在一起，具有可靠性高、靈活通用、易于編程、使用方便等特點，近年來在工業(yè)自動控制、機電一體化、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)等方面得到普通應(yīng)用，越來越多的工廠設(shè)備采用PLC、變頻器、人機界面等自動化器件來控制，使設(shè)備自動化程度越來越高?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，它們對控制的要求也各不相同?？删幊炭刂破?PLC)由于具有以下特點而深受工程技術(shù)人員的歡迎。(1)可靠性高，抗干擾能力強其平均無故障時間大大超過IEC規(guī)定的10萬小時，同時，有些PLC還采用了冗余設(shè)計和差異設(shè)計，進(jìn)一步提高了其可靠性。(2)適應(yīng)性強，應(yīng)用靈活多數(shù)采用模塊式的硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴展方便。(3)編程方便，易于使用梯形圖語言和順控流程圖語言(SequentialFunctionFig)使編程簡單方便。(4)控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便設(shè)計人員只要有PLC就可進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，并可在實驗室進(jìn)行模擬調(diào)試。(5)維修方便，工作量小PLC有完善的自診斷、歷史資料存儲及監(jiān)視功能，工作人員可以方便的查出故障原因，迅速處理。(6)功能完善除基本的邏輯控制、定時、計數(shù)、算術(shù)運算等功能外，配合特殊功能塊，還可以實現(xiàn)點位控制、PID運算、過程控制、數(shù)字控制等功能，既方便管理又可與上位機通信，通過遠(yuǎn)程模塊還可以控制遠(yuǎn)方設(shè)備[1]由于具有以上特點，使得PLC的應(yīng)用范圍極為廣泛，可以說只要有工廠、有控制要求，就會有PLC的應(yīng)用。1.3.變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的比以往任何調(diào)速方法更加優(yōu)越的新技術(shù)，具有節(jié)能效果明顯、調(diào)速曲線平滑、調(diào)速過程簡單、安全可靠、保護功能齊全、起動性能優(yōu)越、自動化程度高等特點，被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的任何場合，顯著的節(jié)能效果也給眾多的企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用，變頻器本身己非常成熟，使得變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性更加突出，傳動效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。變頻器已形成了與電機相配合的不同功率、不同用途的系列化產(chǎn)品，具有多種速度切換、加減速時間的外部設(shè)定、V/F曲線設(shè)定、轉(zhuǎn)距升高調(diào)整、輸出頻率上、下限幅、頻率跳躍等功能;具有各種接口，能與計算機、可編程序控制器及自動化儀表聯(lián)機，并具有遠(yuǎn)程控制的功能。目前產(chǎn)品已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、石化、鋼鐵、冶金、礦山、機械、紡織、建筑、造紙等行業(yè)。1.4本章小結(jié)本章首先概述了論文的選題背景、意義及課題來源，在對現(xiàn)有供水系統(tǒng)存在問題調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定了以實現(xiàn)節(jié)能、自動、可靠、穩(wěn)定供水的PLC控制的變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。對PLC及變頻調(diào)速技術(shù)做了簡要敘述，提出了設(shè)計需要解決的主要技術(shù)問題和論文的主要研究內(nèi)容。第二章恒壓供水方案與分析2.1恒壓供水的方案比較與選擇在傳統(tǒng)城市供水系統(tǒng)中，常采取恒速泵供水方式。由于用戶用水具有不確定性，用水量處于動態(tài)變化過程之中，恒速泵供水方式雖然可通過水泵切換控制管網(wǎng)壓力，但無法維持管壓恒定，不斷地起停水泵電機不僅也影響設(shè)備的壽命同時也使能耗增加，供水質(zhì)量不能保證。若采取閥門控制調(diào)節(jié)流量來維持管壓，一方面頻繁的調(diào)節(jié)使閥門的機械磨損加劇，設(shè)備維護工作量及設(shè)備投資增大；另一方面控制精度差且造成大量的電能浪費。此外，水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應(yīng)，對管網(wǎng)、閥門等也具有破壞性的影響。考慮到交流異步電動機對于泵類負(fù)載可采用調(diào)電壓調(diào)速，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓供水，但其調(diào)速范圍小、能耗大，調(diào)節(jié)效果差。隨著變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展，變頻器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種最好的選擇。變頻調(diào)速精度高、調(diào)速范圍大、效率高。據(jù)統(tǒng)計采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)恒壓供水，可節(jié)能20-50%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。2.2供水系統(tǒng)的模型、特性及恒壓控制2.2.張家口市供水公司西泵站為二級泵站，是將清水池中的水經(jīng)二次加壓后為城區(qū)供水。供水系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。圖中：——水泵中心位置；水面吸入口水壓表城區(qū)管網(wǎng)——吸水口水位；——水平面水位；——管道最高處水位；——在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實的管道系統(tǒng)中，這個位置并不存在。只有在大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常供水。主要參數(shù)有：1.流量單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是m3/min。2.揚程也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數(shù)值上等于對應(yīng)的水位差。常用單位是m。3.實際揚程供水系統(tǒng)中，實際的最高水位與最低水位之間的水位差，即供水系統(tǒng)實際提高的水位。即：=4.全揚程水泵能夠泵水上揚的最高水位與吸入口的水位之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即=5.損失揚程全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。、、之間的關(guān)系是：=+。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚程必須大于實際揚程，這多余的揚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.管阻閥門和管道系統(tǒng)對水流的阻力。和閥門開度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計算，常用揚程與流量間的關(guān)系曲線來描述。7.壓力表明供水系統(tǒng)中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動態(tài)情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關(guān)。2.2供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管組特性曲線，如圖2-2。通過特性曲線可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點圖2-2中：曲線①——額定轉(zhuǎn)速時的揚程特性曲線曲線②——轉(zhuǎn)速時的揚程特性曲線曲線③——閥門開度100%時的管阻特性曲線曲線④——閥門開度不足100%時的管阻特性曲線1.揚程特性以管路中的閥門開度不改變?yōu)榍疤?，即截面積不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚程與流量間的關(guān)系曲線=稱為揚程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚程特性曲線不同，圖2-2中的曲線①、②分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)速、，且>。曲線表明轉(zhuǎn)速一定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，用水流量用表示。用水量一定時，即不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚程就越小。2.管阻特性以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，全揚程與流量間的關(guān)系曲線=，稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線③對應(yīng)閥門開度大于曲線④對應(yīng)的閥門開度。管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是供水流量，用表示。在實際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的和是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。當(dāng)供水流量接近于0時，所需的揚程等于實際揚程(=)。表明了如果全揚程小于實際揚程的話，將不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。3.供水系統(tǒng)的工作點揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點。在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖2-2中的點表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門開度為100%時的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點。4供水功率供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率PG（Kw）稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比：（2—1）式中：——比例常數(shù)·2.2對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力(由流量表示)和用水需求(由用水流量表示)之間的平衡情況有關(guān)。若:供水能力>用水需求，則壓力上升；若:供水能力<用水需求，則壓力下降；若:供水能力=用水需求，則壓力不變?？梢?，流體壓力的變化反映了供水能力與用水需求之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。將來用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。(1)閥門控制法轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應(yīng)用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。(2)轉(zhuǎn)速控制法閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。2.3異步電動機調(diào)速方法通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式（2—2）式中，—異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，r/min；—異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；—異步電動機磁極對數(shù)；—異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；s—轉(zhuǎn)速差，；可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。1.變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。2變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過改變電動機的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為：（2—3）該損耗和電機的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率:很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水時，為適應(yīng)流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率、增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。3.變頻調(diào)速通過調(diào)節(jié)電動機的電源頻率來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF(VariablevoltageVariableFrequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通。.基本不變，其關(guān)系為：式中：—變頻器輸出電壓;——變頻器輸出頻率:變頻調(diào)速方式時，電動機的機械特性表達(dá)式：（2—4）式中：——電機相數(shù)——定子電阻——定子漏電抗——轉(zhuǎn)子漏電抗折算值頻率從額定值往下調(diào)時，由文獻(xiàn)〔5〕所示，圖中>>>>變頻調(diào)速過程的特點:靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果。2.4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析1．轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)節(jié)能(1)．轉(zhuǎn)速控制法與閥門控制法供水能耗分析在圖2-2中，將閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫在了同一坐標(biāo)系中。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)點，當(dāng)所需流量減少，從額定流量變?yōu)闀r，在恒壓前提下，采用閥門控制法時供水系統(tǒng)工作點將移到A點，對應(yīng)的供水功率與面積成正比；采用轉(zhuǎn)速控制法時供水系統(tǒng)工作點將移到B點，對應(yīng)的供水功率與面積成正比。兩種控制方式下的面積之差表明了采取轉(zhuǎn)速控制方式相對于閥門控制方式可以實現(xiàn)節(jié)能。(2)．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與恒速運行供水能耗分析根據(jù)水泵比例定理，改變轉(zhuǎn)速n，水泵流量、揚程和軸功率都隨之相應(yīng)變化，其關(guān)系式為：（2—5）（2—6）（2—7）式中，、、、分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚程和軸功率。從以上關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的3次方關(guān)系下降，可見轉(zhuǎn)速對功率的影響是最大的。一般在設(shè)計中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設(shè)計。但在實際運行中，管網(wǎng)用水量常常低于最不利工況，這時，如降低轉(zhuǎn)速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的軸功率大大減少。可見，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來實現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時節(jié)能效果更為明顯。2．轉(zhuǎn)速控制供水系統(tǒng)的工作效率高(1)．工作效率的定義供水系統(tǒng)的工作效率為水泵的供水功率與軸功率之比，即：（2—8）該效率是包含了水泵本身效率在內(nèi)的整個供水系統(tǒng)的總效率。式(2-8)中，是指水泵是在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即電動機的輸出功率；是供水系統(tǒng)的輸出功率也就是水獲得的實際功率，由實際供水的揚程和流量計算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機械損耗、水力損失、容積損失，以及管路中的管阻損耗。(2)．供水系統(tǒng)工作效率的近似計算公式水泵工作效率相對值的近似計算公式如下（2—9）式（2—9）中：、、—效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值，均小于1：有以下關(guān)系：、、、—常數(shù)，其關(guān)系為。(3)．不同控制方式時的工作效率閥門控制法方式，因轉(zhuǎn)速不變，比值隨著流量的減小。減小，水泵工作的效率降低十分明顯。轉(zhuǎn)速控制方式時，因閥門開度不變，由式(2—5)，流量和轉(zhuǎn)速礦是成正比的，比值不變。即水泵的工作效率是不變的，總是處于最佳狀態(tài)。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統(tǒng)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)能效果的第二個方面。3．變頻調(diào)速電機運行效率高在設(shè)計供水系統(tǒng)時，額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且，實際用水流量也往往達(dá)不到額定值，電動機也常常處于輕載狀態(tài)，電機恒速運行時效率和功率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式變頻器能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面。2.5供水系統(tǒng)安全性討論1．水錘效應(yīng)在極短時間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂;壓強過低又會導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。2．產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)徹底消除水錘效應(yīng)。水泵的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強弱。拖動系統(tǒng)中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩：是電動機的拖動轉(zhuǎn)矩：是供水系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩圖2—4反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。圖中，曲線①是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性，圖2—4b)中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。由圖2—4可知，水泵在直接起動過程時，因動態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強烈的水錘效應(yīng)，通過變頻起動，可有效地降低動態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應(yīng)。停機過程效果類似。3．變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處(1)消除了水錘效應(yīng)，減少了對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。(2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長。(3)避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。(4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。2.6本章小結(jié)本章在分析供水系統(tǒng)模型及其特性參數(shù)的基礎(chǔ)上，探討了影響供水系統(tǒng)能耗及其安全性的一些因素，得出了以下結(jié)論:1.對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是對供水能力的調(diào)節(jié)，以滿足用戶對流量的需求。這種調(diào)節(jié)又是以水壓調(diào)節(jié)為目標(biāo)。2.供水系統(tǒng)揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點是系統(tǒng)的工作點，實際運行中的工作點會隨用水需求的變化而改變。為保證水壓恒定，采取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式較閥門控制方式節(jié)能效果明顯。3.采取變頻調(diào)速方式控制流量實現(xiàn)恒壓供水，可減少系統(tǒng)能耗，提高工作效率。4.采取變頻調(diào)速方式可以消除水錘效應(yīng)，可減少沖擊，增加系統(tǒng)運行的安全性，延長系統(tǒng)運行壽命。第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計3.1供水系統(tǒng)總體方案的確定1．對西泵站供水系統(tǒng)總體要求：(1)．由多臺水泵機組實現(xiàn)供水，流量范圍4000m3(2)．設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水(3)．供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要小(4)．系統(tǒng)能自動可靠運行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能(5)．各主泵均能可靠地實觀軟啟動(6)．具有完善的保護和報警功能(7)．系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能2.方案確定確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案的基本依據(jù)是設(shè)計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點用水需求，同時還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性，及其它技術(shù)要求。根據(jù)用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量。間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間，流量很小或為零。各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖3—1西泵站供水系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)張家口市橋西區(qū)域用戶的用水，屬連續(xù)型高流量變化型。這類型用水需求在較長時間段表現(xiàn)為高流量，低流量時，采用變頻調(diào)速方式來實現(xiàn)的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)30%。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，噪聲小。由于用水呈高流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調(diào)試方便、維護工作量小的PLC通過編程來實現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(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)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓。為了減少對泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動蝶閥，先啟水泵后打開電動碟閥，當(dāng)水泵停止時先關(guān)電動碟閥后停機。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計算機和通信模塊。綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和PLC作為主要控制設(shè)備來設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。3.2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.2.1系統(tǒng)主要配置的選型1.水泵機組的選型根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計秒流量和設(shè)計供水壓力(水泵揚程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺主水泵機組和1臺輔助泵機組，型號及參數(shù)見表3-1。2.變頻器的選型(1).容量確定方法依據(jù)所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機連續(xù)運轉(zhuǎn)時，變頻器容量(kVA)應(yīng)同時滿足下列三式：（kVA）（3—1）（kVA）（3—2）（A）（3—3）式中，—負(fù)載所要求的電動機的輸出功率；—電動機的效率（通常在0.85以上）；—電動機的功率因數(shù)（通常在0.8以上）；—電動機電壓（V）；—電動機工頻電源時的電流（A）；—電流波形的修正系數(shù)，對PWM方式，取1.0～1.05；—變頻器的額定容量（KVA）；—變頻器的額定電流（A）。這三個式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時，應(yīng)同時滿足三個算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個較關(guān)鍵的量。(2).型號選擇根據(jù)控制功能不同，通用變頻器為分為三種類型。普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。綜合以上因素，系統(tǒng)選用專為風(fēng)機、泵用負(fù)載設(shè)計的普通功能型U/f控制方式的富士變頻器FRN55P11S-4CX，變頻器內(nèi)置PID控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)恒壓供水。其主要參數(shù)及性能介紹如下。①.主要參數(shù)額定容量：85(kVA)；額定輸出電流：112A；過載容量：110%額定輸出電流、1分鐘；起動轉(zhuǎn)矩：50%以上；適配電機容量：55KW；②.功能特點風(fēng)機、泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專用型變頻器;可選用自動和手動的轉(zhuǎn)矩提升功能，保證最佳的啟動;加速時間設(shè)定范圍寬(0.01秒到3600秒)，具有S形加減速功能和曲線加減速功能，讓加減速過程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌;直流制動功能，制動時間在0-30秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動，不需要外接電阻;內(nèi)置PID模塊，可用于閉環(huán)控制;多種頻率設(shè)定方式;多種附加功能;五路晶體管輸出③.I/0特性9個可設(shè)定的開關(guān)量輸入口，給操作者極大的靈活性(如固定頻率、固定給定、電動電位計、點動);四路可設(shè)定的開路集電極晶體管輸出，可用于頻率到達(dá)、頻率值檢測、過載、運行等多種提示;RS-485接口，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信;④.保護功能具有過電壓/欠電壓保護、短路保護、過熱保護、PTC熱敏電阻保護、電機鎖死保護、缺相保護、電涌保護、失速保護、CPU/存貯器異常保護等。3.PLC的選型依據(jù)控制任務(wù)，從PLC的輸入1輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入l輸出接口模塊類型等方面等來選擇PLC型號。在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇三菱FX2N-32MR及擴展輸出模塊FX2N-16EYR，其I/O端子分配在3.4節(jié)給出。FX2N-32MR主要參數(shù)及特點:I/O點數(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)行時間:0.08微秒;通信功能:強;輸出形式:繼電型;輸出能力：2A/點;擴展輸出模塊FX2N-16EYR有16個輸出點;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)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0～1MP，精度1.5；數(shù)顯儀輸出一路4～20mA電流信號，送給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，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。3.2.2主電路方案設(shè)計三臺大容量的主水泵(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。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關(guān)，F(xiàn)R1,FR2,FR3,FR4為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現(xiàn)電機過載保護。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機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U,V,W)的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應(yīng)控制在100m以內(nèi)。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(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。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。在電動機三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機工作電流大小;設(shè)計三相電源信號指示。圖3-3給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。3.2.3控制電路設(shè)計在控制電路的設(shè)計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。為了保護PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機或者閥門的動作。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?？刂齐娐分羞€要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴(yán)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)。因此，在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計;另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。為提高互鎖的可靠性，在PLC控制程序設(shè)計時，進(jìn)一步通過PLC內(nèi)部的軟繼電器來作互鎖?？刂齐娐分羞€考慮了電機和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(xiàn)。圖3-4給出了供水系統(tǒng)的部份電氣控制線路圖。圖3-4中，SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動/自動轉(zhuǎn)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)。在手動狀態(tài)，通過按鈕SB1-SB14控制各臺泵的起停。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7個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。中間繼電器KA的常開觸點接PLC的XO，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時，四臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。電機動電源的通斷，由中間繼電器KA1-KA7控制接觸器KM1-KM7的線圈來實現(xiàn)。HLO為自動運行指示燈。FR1,FR2,FR3,FR4為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進(jìn)行過流保護。3.2.4PLCI/0端子分配說明:1#.2#.3#分別代表I號主水泵、2號主水泵、3號主水泵。3.2.5變頻器接線及功能設(shè)定表3-2中頻率參數(shù)設(shè)置說明：(1).最高頻率:水泵屬于平方律負(fù)載，轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導(dǎo)致電動機嚴(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。(2).上限頻率:由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了電動機的負(fù)載，因此實際預(yù)置得略低于額定頻率。(3).下限頻率:在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低，會出現(xiàn)水泵的全揚程小于基本揚程(實際揚程)，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)實際情況適當(dāng)調(diào)整。(4).啟動頻率:水泵在啟動前，其葉輪全部在水中，啟動時，存在著一定的阻力，在從0Hz開始啟動的一段頻率內(nèi)，實際上轉(zhuǎn)不起來。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。3.3PLC控制程序的設(shè)計3.3.1全自動變頻恒壓運行方式水泵運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析1.轉(zhuǎn)換過程分析啟動自動變頻運行方式時，首先起動輔助穩(wěn)壓泵工頻運行供水，當(dāng)用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓時，延時1分鐘PLC通過變頻器啟動1號主水泵供水，同時關(guān)閉輔助泵的運行。在1號主水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)整1#主水泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，延時分鐘，由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，將按上述過程繼續(xù)增開水泵臺數(shù)……直到滿足水壓要求。整個加泵過程中，總是保證原來工作于變頻運行狀態(tài)的水泵轉(zhuǎn)入工頻恒速運行，新開泵軟啟動并運行在變頻狀態(tài)，保證只有一臺水泵運行在變頻狀態(tài)。當(dāng)用水量減少時，變頻器通過PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。若變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時，水壓仍過高，延時1分鐘，按“先起先?！钡脑瓌t，由PLC給出控制信號，將當(dāng)前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關(guān)閉，同時PID調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當(dāng)用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先?！痹瓌t逐臺關(guān)閉處于工頻運行的水泵。當(dāng)系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時，水壓仍過高時，延時5分鐘后，關(guān)閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。2供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系供水狀態(tài)是指在供水時投入運行的水泵臺數(shù)及運行狀況(工頻或變頻)。為保證在一個較長的時間周期內(nèi)，各臺水泵運行時間基本均等，避免某臺電機長期得不到運行而出現(xiàn)繡死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。若有N臺水泵參與變頻調(diào)速，則滿足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態(tài)數(shù)為N2十1。將來的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來回循環(huán)。本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態(tài)，見表3-4各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見下圖3-5從圖3-5可見，供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關(guān)，還與其目前所處的供水狀態(tài)有關(guān);由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式，即上一次啟動1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應(yīng)啟動2#泵。3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達(dá)極限頻率及水壓是否達(dá)到上、下限值。設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極限頻率時的信號為X1，水壓達(dá)到設(shè)定壓力下限值時的欠壓信號為X2，水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時的超壓信號為X3。從輔助泵切換到主泵條件:滿足X2;從主泵切換到輔助泵條件:同時滿足X1、X3;增泵條件:同時滿足X1、X2,減泵條件:同時滿足X1,X3;4.狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)方法從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動一臺主泵的運行即可;從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投入工頻運行即可;減泵過程是在滿足減泵條件的前提下，通過PLC控制，斷開工頻運行狀態(tài)電機的接觸器主觸點即可。增泵過程的實現(xiàn)相對復(fù)雜一些，首先要將運行在變頻狀態(tài)的電機和變頻器脫離后，再切換到電網(wǎng)運行，同時變頻器又要以起始頻率起動一臺新的電機運行。切換過程主要考慮三方面的問題:第一，切換過程的可靠性。決不允許出現(xiàn)變頻器的輸出端和工頻電源相連的情況，這一點通過控制電路、PLC內(nèi)部軟繼電器的互鎖及PLC控制程序中動作的時間先后次序來保證。其次，切換過程的完成時間。時間太長，原變頻運行的電機轉(zhuǎn)速下降太多，一方面造成水壓下降大，另一方面在接下來切換到工頻時沖擊電流大;時間太短，切換過程的可靠性下降。具體時間還需根據(jù)電動機的容量大小來設(shè)定，容量越大時間越長，一般情況下，500ms足夠。再次，切換過程的電流。因變頻器輸出電壓相位和電網(wǎng)電壓相位一般不同，當(dāng)電機從變頻器斷開后，轉(zhuǎn)子電流磁場在定于繞組中的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓往往也存在相位差。此時，切換到工頻電網(wǎng)瞬間，如果二者剛好反相，則將產(chǎn)生比直接起動時的起動電流更大的沖擊電流，反過來對變頻器造成沖擊。解決辦法有：(1).電機定子繞組中接入三相滅磁電阻的方法。這種方法一般需要延時2-3秒，時間太長，水泵轉(zhuǎn)速下降太多，不合適:(2).相位鑒定法。通過相位鑒別電路，在電網(wǎng)電壓和變頻器輸出電壓相位一致時，快速切換。這種方法十分有效，可靠，對于100kW以上的大容量電機一般要求采用這一方法(3)利用變頻器的自由停車指令BX來實現(xiàn)的快速滅磁法。這一方法的實質(zhì)是通過定子繞組中和變頻器逆變橋上的續(xù)流二極管組成的回路來達(dá)到快速滅磁的目的。其動作順序是，在電機從變頻器斷開前，PLC的Y16給出動作信號，變頻器Xl端子功能生效，自由停車命令BX生效，變頻器立即停止輸出，經(jīng)短暫延時(約500ms)滅磁后，將電機從變頻器斷開，并立即投入電網(wǎng)。這種方法簡單有效、控制方便，本次設(shè)計中采用了這一方法。3.3.2PLC程序設(shè)計方法1.PLC編程語言PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言，易于學(xué)習(xí)和掌握。盡管國內(nèi)外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達(dá)方式基本類似，主要有四種形式:梯形圖，指令表，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級語言。梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語和圖形符號，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程。絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖編程。指令是用英文名稱的縮寫字母來表達(dá)PLC的各種功能的助記符號，類似于計算機匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成。比較抽象，通常都先用其它方式表達(dá)，然后改寫成相應(yīng)的語句表。編程設(shè)備簡單價廉。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計算機常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過程比較詳細(xì)具體，包括每一框前的輸入信號，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達(dá)方式。高級語言類似于BACIC語言、C語言等，在某些廠家的PLC中應(yīng)用。2.梯形圖語言編程的一般規(guī)則通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有:(1).梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。(2).梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流;層次的改變也只能自上而下。(3).梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0”態(tài)。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。(4).梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。(5).繼電器線圈在一個程序中不能重復(fù)使用:而繼電器的觸點，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。(6).PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設(shè)計梯形圖時，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計大大簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應(yīng)于一條指令，一條指令為一個步序。3.PLC程序開發(fā)平臺不同公司的PLC采取的開發(fā)平臺不同，這次設(shè)計采用MITSUBISHI公司提供的Windows環(huán)境下的編程軟件FXGPWIN來開發(fā)。先用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)來描述供水狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換條件，再用步進(jìn)順控指令(STL)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)梯形圖，通過檢查、編譯后，用專用編程電纜SC09下載到PLC程序存儲器中。其間還需要一個調(diào)試過程。4.程序掃描工作方式的原理當(dāng)PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始。順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設(shè)計，并為PLC的可靠運行提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過CPU設(shè)置的定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時間，從而避免了由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)而造成故障的影響PLC的工作過程就是程序執(zhí)行過程。它分為三個階段進(jìn)行，即輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段，輸出刷新階段，如圖3-6所示(1).輸入采樣階段在開始執(zhí)行程序之前，PLC以掃描方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎胄盘枲顟B(tài)(開或關(guān)、“1”或“0”)讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，這個過程稱為對輸入信號的采樣，或稱輸入刷新。在程序執(zhí)行期間，所需輸入信息取自輸入映像寄存器的內(nèi)容。在本工作周期內(nèi)，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。輸入狀態(tài)的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被重新讀人。(2).程序執(zhí)行階段在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進(jìn)行掃描。每掃描到一條指令時，所需要的輸入狀態(tài)或其他元素的狀態(tài)分別由輸入映像寄存器和元素映像寄存器中讀出，然后將執(zhí)行結(jié)果寫入到元素映像寄存器中。這就是說，對于每個元素來說，元素映像寄存器中寄存的內(nèi)容，會隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而變化。但這個結(jié)果在全部程序未被執(zhí)行完畢之前不會送到端子上。(3).輸出刷新階段當(dāng)程序執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出刷新階段。此時，將元素映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路，再去驅(qū)動用戶輸出設(shè)備(負(fù)載)，這才是PLC的實際輸出。PLC重復(fù)地執(zhí)行上述三個階段，每重復(fù)一次的時間就是一個工作周期(或掃描周期)。工作周期的長短與程序的長短(即組成程序的語句多少)、指令的種類和CPU執(zhí)行的速度有很大關(guān)系。一般說來，一個掃描過程中，執(zhí)行指令的時間占了絕大部分。PLC在每次掃描中，對輸入信號采樣一次，對輸出刷新一次。這就保證了PLC在執(zhí)行程序階段，輸入映像寄存器和輸出鎖存電路的內(nèi)容或數(shù)據(jù)保持不變。3.3.3供水系統(tǒng)控制程序設(shè)計供水系統(tǒng)根據(jù)需要實現(xiàn)的主要功能有自動變頻恒壓運行、自動工頻運行、遠(yuǎn)程手動控制和現(xiàn)場手控制等。全自動變頻恒壓運行方式是系統(tǒng)中最主要的運行方式，也是系統(tǒng)的主要功能，是指利用PLC控制，結(jié)合PID調(diào)節(jié)功能，通過變頻調(diào)速實現(xiàn)自動恒壓供水，其核心是根據(jù)恒壓條件下供水系統(tǒng)中水泵運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程設(shè)計的PLC控制程序;自動工頻運行是指在變頻器故障狀態(tài)時，為維持壓力的相對恒定，系統(tǒng)根據(jù)水壓大小自動調(diào)節(jié)工頻運行電機臺數(shù)，維持供水，這種運行方式只是在特殊情況下的一種備用供水方案，提高了系統(tǒng)可靠性的冗余度;遠(yuǎn)程手動控制是指在控制室，通過計算機和PLC通信遠(yuǎn)程操控水泵的運行，是一種輔助供水方案;現(xiàn)場手動控制運行是指通過現(xiàn)場按鈕來人工控制電機工頻、變頻運行，這一方式完全通過電氣控制線路設(shè)計來實現(xiàn)，PLC不參與，主要用用于檢修、調(diào)試及PLC故障時的運行。系統(tǒng)還具有水泵故障鎖定功能。當(dāng)有水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動鎖定出故障的水泵，將其退出系統(tǒng)運行，并報警提示。PLC控制程序設(shè)計的主要任務(wù)是接收受各種外部開關(guān)量信號的輸入，判斷當(dāng)前的供水狀態(tài)，輸出信號去控制繼電器、接觸器、信號燈等電器的動作，進(jìn)而調(diào)整水泵的運行，并給出相應(yīng)指示或報警。供水系統(tǒng)控制程序的主流程如圖3-7。主要由系統(tǒng)初始化模塊、輔助泵/主泵運行轉(zhuǎn)換模塊、增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊、減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊、遠(yuǎn)程手動控制模塊和故障處理模塊等構(gòu)成。1.系統(tǒng)初始化模塊在初始化模塊中設(shè)置通信用數(shù)據(jù)寄存器D8120,D8121,D8129的通信參數(shù)，具體設(shè)置程序見論文4.3節(jié);置標(biāo)志M6=1，在自動運行時，首先起動輔助泵進(jìn)入SO狀態(tài):置標(biāo)志M0=1，保證輔助泵運行狀態(tài)首次SO轉(zhuǎn)入主泵運行狀態(tài)S20。初始化過程通過M8002產(chǎn)生的初始化脈沖來完成。2.輔助泵/主泵運行轉(zhuǎn)換模塊主泵轉(zhuǎn)輔助泵運行是指在單臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，延時5分鐘，關(guān)閉變頻器運行，啟動輔助泵的過程。即由狀態(tài)S20(或S21,S22)轉(zhuǎn)入SO的過程。PLC置輸出繼電器YI(或Y3,Y5)為0，同時置Y7=1。輔助泵轉(zhuǎn)主泵運行是指由輔助泵供水，水壓達(dá)到壓力下限時，延時1分鐘，關(guān)閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運行的過程。即由狀態(tài)so轉(zhuǎn)入S20(或S21,S22)的過程。具體起動哪一臺主泵，進(jìn)入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個狀態(tài)，按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作。在編程時，以輔助繼電器M3,M2,Ml作為S20,S21,S22狀態(tài)的轉(zhuǎn)入標(biāo)志，三者按循環(huán)方式動作，保證S20,S21,S22狀態(tài)的循環(huán)。3.增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊增加主泵是將當(dāng)前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。當(dāng)變頻器輸出上限頻率，水壓達(dá)到壓力下限時，延時1分鐘，PLC給出控制信號，PLC的Y16得電，變頻器的X1端子對CM短接，變頻器的自由停車指令BX生效，切斷變頻器輸出，延時500ms(滅磁作用)后，將主水泵與變頻器斷開，延時looms(防止變頻器輸出對工頻短路)，將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，同時PLC的Y16失電，BX指令取消，變頻器以起始頻率啟動一臺新的主水泵。這段程序設(shè)計時要充分考慮動作的先后關(guān)系及互鎖保護。增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊包括六種狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，三臺主泵增開程序。下面以當(dāng)前狀態(tài)S20，增開2#主泵為例，用PLC的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)來說明泵增開過程，如圖3-804.減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊減少主泵是指在多臺主泵供水時，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時，按“先起先停”原則，將當(dāng)前運行狀態(tài)中最先進(jìn)入工頻運行的水泵從電網(wǎng)斷開。5.遠(yuǎn)程手動控制通信模塊初始化模塊中設(shè)置好PLC和上位機的通信協(xié)議后，在PLC程序執(zhí)行過程中，當(dāng)接收到上位機的遠(yuǎn)程手動控制命令置M5M4=10時，PLC程序自動轉(zhuǎn)入遠(yuǎn)程手動控制運行方式，接收水泵運行狀態(tài)控制字。當(dāng)接收到命令置M5M4=01時，先停止全部水泵的運行，延時后重新轉(zhuǎn)入全自動恒壓變頻運行方式。6.故障處理模塊對變頻器故障、熱繼電器動作、空氣開關(guān)跳開、水位過低等故障給出聲光報警，并做出相應(yīng)的故障處理。(1).欠水位故障進(jìn)入狀態(tài)S30，停止全部的電機運行，防止水泵空轉(zhuǎn)。當(dāng)欠水位信號解除后，延時一段時間，自動進(jìn)入SO狀態(tài)。(2).變頻器故障變頻器出現(xiàn)故障時，對應(yīng)PLC輸入繼電器X5動作，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入自動工頻運行模塊。此時變頻器退出運行，三臺主泵電機均工作于工頻狀態(tài)。該方式下的水泵的投入和切除順序和自動變頻恒壓運行方式時的大致相同，只是原來運行在變頻狀態(tài)下的電機改為了工頻運行。由于沒有了變頻器的調(diào)速和PID調(diào)節(jié)，水壓無法恒定。為防止出現(xiàn)停開一臺水泵水壓不足而增開一臺水泵又超壓造成系統(tǒng)的頻繁切換，通過增加延時的方法來解決。設(shè)定延時時間為20分鐘。(3).電機故障熱繼電器、空氣開關(guān)一般用于電機保護，二者的動作往往表明了電機潛在故障。檢測到此類故障時，系統(tǒng)首先鎖定故障電機，并自動投入下一臺電機運行。此時系統(tǒng)處于“一輔泵兩主泵”的運行狀態(tài)。3.4PID調(diào)節(jié)原理在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，選用了具有PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(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。3.4.1PID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。PID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：理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。1模擬PID控制及算法PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值:(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t):e(t)=y(t)-r(t)(3一4)經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。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3-9。圖中U(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。PID控制規(guī)律為PID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)偏差信號的作用，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)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(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。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Tl,Tl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，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。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)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的TD對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。PID的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)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。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運行，從而獲得滿意的控制效果。2.數(shù)字PID控制算法自從計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對式(3-5)離散化來實現(xiàn)的。用一系列的采樣時刻點nT代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)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(dá)式:式(3-7)中，T一一采樣周期，n一一采樣序號，e(n)一一第n時刻的偏差信號，e(n-1)—第(n-1)時刻的偏差信號，y(n)—第n時刻的控制量。PID位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計算本次與上次的偏差信號e(n),e(n-1)，而且還要把歷次的偏差信號e(j)相加，計算繁鎖，占用內(nèi)存大;另一方面計算機輸出的控制量u(n)對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u(n)可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為:增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量△u(n)僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動作時影響較小，必要時可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。3.4.2恒壓供水PID調(diào)節(jié)過程分析恒壓供水的目的就是要保證供水能力Qc適應(yīng)用水需求Qu變化。當(dāng)供水能力QG和用水需求Qu之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力QG和用水需求Qu之間的乎衡。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機、水泵等構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對供水能力實現(xiàn)有效的自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)恒壓供水。其實現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給PID調(diào)節(jié)器預(yù)置一個目標(biāo)壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下：(1).穩(wěn)態(tài)運行當(dāng)供水能力QG=用水需求Qu，目標(biāo)壓力信號;和壓力反饋信號y相等，偏差e=y-r=0,PID輸出的控制增量△u=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運行。如圖3-10中的0～t1段。(2).用水量增加時當(dāng)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=y-r<0,PID輸出的控制增量△u>0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這是一個動態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號y、偏差e,控制增量△“均處于變化之中，其變化過程如圖3-10中的tl～t3段，其中t2～t3段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。(3).用水量減少時當(dāng)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=y-r>0,PID輸出的控制增量△u<0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這一動態(tài)變化過程，如圖3-10中的t3～t4段，其中t4段以后為減少用水量后新的平衡