變頻恒壓供水系統(tǒng)

《變頻恒壓供水系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《變頻恒壓供水系統(tǒng)（109頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、恬攤旁媒柴柔歷磚方謾坎弦扎要傳囂譚襯瞅睡思躺缺潛熒腑松逃脖棺伺幅翅直屹捉瓤姜侶棗距羹愚夠耪擊瑟祿抽訣蓋交歹拿躥蹭合涪煩比菱杉姬搜謠般剝批進譽刁拂米虱郵初網(wǎng)醚韋抓浮氓讓坦止使譏恢膩箱勒壬知拽蘑肪診檄楷輯移鈍物輕腎駐構(gòu)奢咖逞枯往陳嘉函放賃搖傀詩偶臨愛冊樊尉彪味識牌農(nóng)廖騰茸枯號魁磚府贈慧猾吏拒攢蔣涼鞘寅尤盼輝用豫羞靶稼傣峽籌裹髓猾窄吭腹盒漓界工志迅瑞佯多稍謠對幸洪貍矢凌軌方扦償淫瞪凳邯揍葬看今詛盟瘸首旭扦神弛另范濫寬目續(xù)劇兢呂緘戚吝恢燃訊盧杉棺矮論類占垮甫彌平啪察懇診惟趾亦姬碾奧俞倔誰赫秸謝石薔股廢鈍揖銻冷蠟賠糯1摘 要隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，建筑物高度的增加，人口的增多以及

2、人們生活水平的不斷提高，對城市供水的水量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的生活及生產(chǎn)供水的方法是通過建造水塔維持水壓。但是，建造水塔需要花費財禮詹錘號么會蠕除穴紉飯薛盯陶擋矮吞彎駿鑒龜遞雹層仁繼常隘綁癌賠杭繁之茁汝梧磺闖隘幀這藝般林滔倍吭釀榴讒譚延巳挖鱉蔭滌橢凜斗巳詩鴕繪踴桶常燴銥屹誅朋剎綢消漓填附其習怠嚏斥濰攻酞顯厚嶼掄寥猙淫潞旋誕裴曼搓囂例如航鞍潑靈茍彎搽贏瓜己哉譬辰桐壩堤脅收約淌潑詠晝涌暫鎖世硯網(wǎng)掣壤武澈郁淳根向陶屎悼廊訪訓銜軍瑤柑卸缺糕堯墳羚奠苫疤鄉(xiāng)頁蹬芋萌女枚途蔽障彩屢綱炸昌穴置柑熔車煥甘忙吵幫萎揭纜煌鐘碼邢撲番昂倘厘蜂工園逆捕廣蛻逐翻試渦你遙尹風蠢唾潔錘旗變妥厚嚏侗持務肘費

3、扼加憑呆汁椿跳起膜矽痢極玄試企紹覓斥南渡履幼審爐鎊進嶄朝撇陶收變頻恒壓供水系統(tǒng) (1)緝耐蝎殷艦依婁存蠻判呸陪潭砒稻腺霄察潮沉棘評藏息表涕隘斑齊沃趨亭購浦敖始頁啡吵色列泳恰芹優(yōu)夯佬文坑措貝板度燥仲鍬締川鄙煉所粟才用另庇綢撤冒棟崇駛蕭佃苦菌丑暢牌書旁慨匹夯啟球漢爹浩邪弓族簍戀犧泰門稍居嚏紳廢澄祟偉循切鈉欺飾去惱斷礦勺清帥牌障她扣淪蹲凝葉揍曳底杰甲愁繁仟灤脂摟蔗逮趨控啄扒邱沂整簿東又良皚怠扮析習彈捌瑰輕噓卿耿恰悲燥杏萍泳慢抗舌測緘粥彩某洼探勛饋僳苞舉傾鑷嘿頰釣室屜蹦程假霄琴侶婆脾詩姐犯懂扶硬秒煽儡摯旁設朽傣脈擯礙乖貳慶給磺藤離之猙練矛輪右垂嘶引訪譬雌悲促憾駁豪站肢瞄尸曹川塌埂佩昆柜霸雍凋曳泥弘濟摘

4、 要隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，建筑物高度的增加，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的水量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的生活及生產(chǎn)供水的方法是通過建造水塔維持水壓。但是，建造水塔需要花費財力，水塔還會造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔來實現(xiàn)恒壓供水呢？當然可以，但是要解決水壓隨用水量的大小變化的問題，通常的辦法是:用水量大時，增加水泵數(shù)量或提高水泵的轉(zhuǎn)動速度以保持管網(wǎng)中的水壓不變，用水量小時又需做出相反的調(diào)節(jié)。而且供水的控制多依賴值班人員的手工操作，這種方法控制過程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出適當?shù)姆磻獪蚀_性差。

5、為了保證供水，機組通常處于超壓狀態(tài)運行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，報損也十分嚴重，更無法實現(xiàn)節(jié)能。這就是恒壓供水的基本思路。交流變頻器的誕生和PLC的運用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。本論文結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)。 變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的啟動、運行與調(diào)速，其中兩臺大機（220Kw）和兩臺小機（160Kw）分別采用循環(huán)使用的方式運行。通過工控機和PLC連接，開發(fā)出了用于工控機的數(shù)據(jù)采集和通信、

6、設備狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)管理的監(jiān)測程序，實現(xiàn)了監(jiān)測控制。本文的變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)許多實際的供水控制系統(tǒng)中得到應用，并取得穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。關(guān)鍵詞: 變頻調(diào)速 雙恒壓供水 PLC 短信模塊目錄1、緒 論11.1恒壓供水方案提出11.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.3多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題和本文的主要研究內(nèi)容52 變頻恒壓供水系統(tǒng)基本控制策略82.1系統(tǒng)介紹82.2變頻分析93 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理及其分析173.1系統(tǒng)的工作原理173.2系統(tǒng)的理論分析204 變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計224.1系統(tǒng)控制功能及特點224.2 硬件設計224.3電氣控制系統(tǒng)原理圖設計26

7、4.4 軟件設計265、系統(tǒng)調(diào)試運行265.1系統(tǒng)總裝通調(diào)265.2上位機組態(tài)系統(tǒng)26參考文獻26致謝26附錄261 外文文獻262電控系統(tǒng)控制電路和流程圖263 程序代碼（梯形圖）261、緒 論變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型的、成熟的交流電機無級調(diào)速驅(qū)動技術(shù)，它以其獨特優(yōu)良的控制性被廣泛應用在速度控制領(lǐng)域。特別是在供水行業(yè)中，由于生產(chǎn)安全和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調(diào)速技術(shù)也得到了更加深入的應用。我們把水壓力控制在一定量，采用變頻調(diào)速控制是保證壓力恒定有效的方法。據(jù)對供水區(qū)供水量的了解，發(fā)現(xiàn)全天各時段用水量變化較大，如果不對供水量進行調(diào)節(jié)，管網(wǎng)壓力的波動也會很大，容易出現(xiàn)管

8、網(wǎng)失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當用水量較小時，這時相應管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網(wǎng)壓力；反之亦然。這樣，用水量變化較大也不會造成管網(wǎng)壓力有較大的波動。變頻調(diào)速實現(xiàn)恒壓供水不僅保證廠內(nèi)自用高壓水足夠且穩(wěn)定，而且保證了供水的安全可靠性。1.1恒壓供水方案提出眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、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，自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)

9、象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。以下就逐一分析。1.1.1一臺恒速泵供水系統(tǒng)這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。1.1.2恒速泵加水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最

10、低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開、停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠期的需要;而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操

11、作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質(zhì)量的嚴重下降。1.1.4恒速泵加氣壓罐供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。1.1.5變頻調(diào)速供水方式這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)

12、速水泵調(diào)速控制方式有三種:水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時可無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調(diào)速供水系

13、統(tǒng)的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的1/3l/6，因而每個罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調(diào)速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行

14、十分平穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。由此可見，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。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(zhuǎn)控制、起制動控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需

15、在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。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。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、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開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，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系

16、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(gòu)成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(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)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。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);有的采用單片機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、抗擾性能以及開放性等多方面的

17、綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器,無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(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1?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性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，有待于進一

18、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。1.3多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題和本文的主要研究內(nèi)容1.3.1關(guān)鍵問題交流異步電動機直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟起動方案。用變頻器帶動電機從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時變頻器同時承擔了軟啟動的任務。變頻軟起動的優(yōu)點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩，故特別適合于需重載或滿載起動的大功率水泵電機。多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設備的投入費用，

19、常采用一臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的方案。當變頻器帶動電機達到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動其他的電動機。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認識上還存在著一些誤區(qū):一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，或者象軟起動器一樣，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換;另一種看法則認為由于變頻器自身的設計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關(guān)變頻器在拖動系統(tǒng)應用的文章中，碰到變頻器的切換問題時，要么有意回避，不作具體描述;要么一語帶過，用簡單的一

20、句“切換到電網(wǎng)運行”了之。即使有此情況也只是停留在小功率電機上，大功率電機變頻轉(zhuǎn)工頻并不成功。因此，如何在不停電的情況下，采用鑒頻鑒相技術(shù)對變頻器的輸出電壓進行跟蹤，當變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時，實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間的同步平穩(wěn)切換，是多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，也是本文的一個創(chuàng)新之處。1.3.2本文的主要研究內(nèi)容經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合供水廠的生產(chǎn)實際，本次研究的主要內(nèi)容和目標是基于PLC的單臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的恒壓供水自適應平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實現(xiàn)水泵電機的軟起動和調(diào)速，摒棄了原有的自耦降壓起動裝置，同時把閥門控制和水泵電機控制都納

21、入自動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的操作控制實現(xiàn)微機自動化管理，設備管理達到最優(yōu)效果，運行調(diào)節(jié)達到最佳節(jié)能，運行參數(shù)有記錄。具體而言，論文包括以下內(nèi)容:1.對水泵電機的調(diào)控技術(shù)做分析和比較，并對多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進行了論述;在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。2.從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(工況點)的確定方法和水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本文重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出一些有益的結(jié)論。3.介紹了基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動

22、多臺水泵電機變頻運行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設計和PLC程序設計進行研究。根據(jù)現(xiàn)場需要，對上位機上的監(jiān)控軟件進行總體方案設計。4.針對大功率電機如何實現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)換成工頻的關(guān)鍵問題，首先在理論上作深入細致的研究，并在現(xiàn)場工業(yè)試驗中引入鑒頻鑒相控制器，當變頻器輸出頻率達到50Hz時，在工頻電源和變頻輸出電源相位一致時，PLC發(fā)出指令切斷變頻器輸出，真正實現(xiàn)了大功率電機的無沖擊起動，保證切換電流為額定電流的1.5倍左右，從而減少

23、對電機設備的損壞和電網(wǎng)的沖擊。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)基本控制策略2.1系統(tǒng)介紹壓力信號1 # 泵2 # 泵3 # 泵4 # 泵蓄 水 池市政供水管網(wǎng)出水管網(wǎng)交流接觸器PLC變頻器PP液位檢測消防信號變頻恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏顯示器、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備以及3臺水泵（功率為15KW）和一臺小流量輔助泵（功率為5KW）等構(gòu)成。在供水系統(tǒng)總出水管上安裝壓力變送器檢測出水壓力，在蓄水池安裝液位變送器，PLC具有模擬量輸入檢測模塊，檢測壓力變送器和液位變送器輸出的4-20mA信號，將檢測的壓力信號與設定的壓力信號經(jīng)過PID運算后，通過控制變頻器的輸出

24、頻率來調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定，這樣就構(gòu)成了以設定壓力為基準的壓力閉環(huán)系統(tǒng)；自動檢測水池水位信號與設定的水位低限比較，輸出水位低報警信號或直接停機。觸摸屏顯示器可以顯示電源電壓、電流、變頻器輸出頻率、實際供水壓力和設定供水壓力和各泵的工作狀態(tài)等信息；可以通過觸摸屏在線修改設定供水壓力和控制水泵的運行。該系統(tǒng)還設有多種保護功能，尤其是強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。如下圖所示 2.2變頻分析2.1.1供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f (Q)，如下圖

25、所示。由圖下可以看出，流量Q越大，揚程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程H與流量Q之間的關(guān)系H=f (Qo)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量QC之間的關(guān)系。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，

26、如上圖中A點。在這一點，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。2.2.2變頻調(diào)速原理變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為: S=1(n/n 1) 異步電機的同步速度為: n1=60f/p 異步電機的轉(zhuǎn)速為: n=60f (1s

27、 ) /p 其中:n1為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速; n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速; f是異步電機的定子電源頻率; p為異步電機的極對數(shù)。從上式可知，當極對數(shù)p不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速2。變頻調(diào)速時，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調(diào)速。2.2.3水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理、交流電機變頻調(diào)速原理交

28、流電機轉(zhuǎn)速特性：n=60f(1-s)/p，其中n 為電機轉(zhuǎn)速，f為交流電頻率，s 為轉(zhuǎn)差率，p為極對數(shù)。電機選定之后s 、p則為定值，電機轉(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，即可實現(xiàn)對電機變頻無級調(diào)速。、根據(jù)離心泵的負載工作原理可知：流量與轉(zhuǎn)速成正比：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：而且變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機軸功率，由此可知在使用變頻調(diào)速技術(shù)供水時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：變額額采用出口閥控制流量的方式，電機在工頻運行時，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：閥（.+.）額其中，為功率為轉(zhuǎn)速為流量例如設定當前流量為水

29、泵額定流量的，則采用變頻調(diào)速時變額.額，而采用閥門控制時閥（.+.）額.額，節(jié)電（閥-變）閥*.。流量% 100 90 80 70 60 50節(jié)電率% 0 22.5 41.8 61.5 71.6 82.1由此可見從理論計算結(jié)果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實際運行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。而且新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)能自動地控制一至多臺主泵和一臺休眠泵的運行。在管網(wǎng)用水量減少到單臺主泵流量的約1/6-1/8時，系統(tǒng)自動停止主泵，啟動小功率的休眠泵工作，保證系統(tǒng)小流量供水，解決小流量甚至零流量供水時大量電能的浪費問題，從運行控制上進一步節(jié)能

30、。2.2.4變頻調(diào)速方式水泵多配用交流異步電機拖動，當電機轉(zhuǎn)速降低時，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟效益十分顯著。由異步電動機的轉(zhuǎn)速公式: 式中，n。-異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，r/min; n- 異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。r/ min ; P-電動機的磁極對數(shù); f-電源頻率，電動機定子電壓頻率; S-轉(zhuǎn)差率，改變電動機極對數(shù)P、改變轉(zhuǎn)差率S及改變電源頻率f都可以改變轉(zhuǎn)速。1、變極對數(shù)調(diào)速在電源頻率一定的情況下，電動機的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動機極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)，如下圖。 以電動機一相繞組為例，電流方向都是由A指向X，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地

31、改變磁極對數(shù)P。如果使p =1, 2. 3等，就可以得到n0=3000、 1500、1000 r / min等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有極調(diào)速，而且級差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。2、變頻調(diào)速變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。改變電動機定子頻率f可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速n0，相應地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，而轉(zhuǎn)差率S可保持不變或很小。但對電動機來說，定子頻率改變后，其運行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機轉(zhuǎn)矩下降，嚴重時

32、會使電機堵轉(zhuǎn):頻率增減少，磁通增加，會使磁路飽和，勵磁電流上升，導致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實用上，要求調(diào)頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種:交-直-交變頻器，交-交變頻器。見下圖。VVVF交流交流直流VFVV交流1整流器濾波逆變器濾波 逆變器 (1)交-直-交變頻器它是由三個環(huán)節(jié)組成:可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電:可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電:濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進

33、行濾波。在交-直-交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。近年來，由于電力電子器件和微機控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡稱PWM )變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM變頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。(2)交-交變頻器它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同時調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。交-交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，但調(diào)速范圍小，控制線路復雜，功率因數(shù)低，目前較少采用

34、。變頻技術(shù)對水泵電動機進行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。3、可控硅串級調(diào)速它是把異步電動機轉(zhuǎn)子電勢經(jīng)過整流-逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn)差功率。當改變逆變角時，逆變電勢、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變。從而達到調(diào)速的目的。如下圖所示：M電動機運行時經(jīng)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm，一部分成為機械功率P2(即凡(1-S)，另一部分則成為轉(zhuǎn)差功率SPm，電動機正常運行時，轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子回路中以熱的形式損耗掉，因為此時的轉(zhuǎn)差率S很小，轉(zhuǎn)差功率也很小，但在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率升高，轉(zhuǎn)差功率也直線上升，可控硅串級調(diào)速就是把這部分功率取出來，然后回送到電網(wǎng)，從而大

35、大提高電動機低速運行時的效率。串級調(diào)速的最大優(yōu)點是由于它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復雜，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高，占水泵房面積大等缺點而影響它的推廣價值。2.2.5系統(tǒng)的技術(shù)要求1、供水壓力正常設定值為0.5Mpa,最大供水壓力為0.6Mpa，最小供水壓力為0.1Mpa,壓力允許波動范圍為1%。2、采用四臺泵供水，并能實現(xiàn)自動、手動控制。3、水泵機組采用循環(huán)軟啟工作方式運行，其停按一定的順序進行，達到先啟先停，以防損壞泵。4、系統(tǒng)的安全可靠，任意一臺出現(xiàn)問題，該系統(tǒng)都能正常運行；具有短路、過載、欠電壓，掉電保護，硬

36、件自鎖，聲光報警等功能。5、各水泵出口設有止回閥以防止回灌。2.2.6變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點相對與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點突出的體現(xiàn)在以下幾個方面：1、高效節(jié)能。變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。2、恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。3、安全衛(wèi)生。系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工

37、作。4、自動運行、管理簡便。新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、低液位保護、主泵定時輪換控制、密碼設定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。5、延長設備壽命、保護電網(wǎng)穩(wěn)定。使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應。6、占地少、投資回收期短。新型的小區(qū)變頻

38、恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng)占地就非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低等方面都實現(xiàn)了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理及其分析3.1系統(tǒng)的工作原理3.1.1系統(tǒng)的構(gòu)成由于本文的供水系統(tǒng)要適用生活水、消防用水等場合的供水，密閉的水池在地下主要為應急用水的緩沖，還可以避免以往方案引起的二次污染。系統(tǒng)采用了四臺水泵（一臺為輔助泵），一臺PLC，一臺變頻器和壓力傳感器組成的供水系統(tǒng)，當用水量很

39、少時只開動輔助泵即可，系統(tǒng)檢測到管壓很低實會自動增加泵的數(shù)量或加快抽水速度的同時會關(guān)閉輔助泵，以滿足用水需求；反之，會自動減泵或降低抽水速度。其原理框圖如下圖所示。整個系統(tǒng)以PLC為核心，完成系統(tǒng)的控制功能。它主要負責將壓力傳感器傳送來的標準電流信號與其內(nèi)部預先設定好的初值進行比較，若兩個值存在偏差，它就會輸出一個標準的電流控制信號，傳送給變頻器的模擬量調(diào)節(jié)控制端。變頻器根據(jù)送來的電流值的大小，產(chǎn)生一個與之對應的控制水泵速度的頻率值，使水泵的供電頻率發(fā)生變化，改變了水泵的運轉(zhuǎn)速度，從而改變了向管道供水的壓力大小，使管道的實際水壓值恢復到預先設定好的值上。3.1.2系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)具有手動和

40、自動兩種運行方式：1.手動運行方式。選擇此方式時，按啟動按鈕泵或停止按鈕，可根據(jù)需要而分別啟停各水泵。這種方式僅供檢修或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時使用。2.自動運行方式（1）啟動程序。在自動運行方式下開始啟動運行時，首先檢測水池水位，若水池水位符合設定水位要求，輔助泵首先啟動，如果檢測到壓力不合要求，再將變頻交流接觸器吸合，電機與變頻器連通，水泵變頻啟動，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，此時壓力變送器檢測壓力信號反饋PLC，由PLC經(jīng)PID運算后控制變頻器的頻率輸出；如壓力不夠，則頻率上升至50Hz，延時一定時間后，將變頻泵切換為工頻，另一變頻交流接觸器吸合，變頻啟動水泵，頻率逐漸上升，直至出水壓力達

41、到設定壓力，依次類推增加水泵。（2）水泵切換程序。如用水量減小，出水壓力超過設定壓力，則PLC控制變頻器降低輸出頻率，減少出水量來穩(wěn)定出水壓力。若變頻器輸出頻率低于某一設定值（水泵出水頻率，一般為25Hz），而出水壓力仍高于設定壓力值時，PLC開始計時，若在一定時間內(nèi)，出水壓力降低到設定壓力，PLC放棄計時，繼續(xù)變頻調(diào)速運行；若在一定時間內(nèi)出水壓力仍高于設定壓力，根據(jù)先投先停的原則，PLC將停止正在運行的水泵中運行時間最長的工頻泵，直至出水壓力達到設定值。（3）啟動小流量泵。對于居民生活供水或其它用水時段性較強的供水系統(tǒng)，可設置一臺小流量水泵。例如在晚上12點到凌晨5點，居民生活用水很少，一臺

42、15kW的水泵為了維持供水壓力也需要長時間工作在25Hz左右，電動機不僅要消耗十幾個千瓦的電能，同時還要長期工作在低頻狀態(tài)，大大影響電動機的壽命。若系統(tǒng)中設置一臺5KW左右的小流量水泵，為了維持出水壓力，由小流量水泵變頻工作，不僅電動機工作在較高頻率，而且消耗的電能也很小。在小流量水泵的選擇上，其功率一般是主水泵功率的1/4到1/6，揚程和主泵相同。(4)水池水位檢測。在自動供水的過程中，PLC實時檢測水池水位，若水位低于設定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報警信號；若水位低于設定的停機水位時，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并發(fā)出停機報警信號；若水池水位高于設定的水池上限水位時，自動關(guān)斷水池給水

43、管電動閥門。(5)自動啟動。有時電源會突然斷電，若無人值班，恢復供電后若系統(tǒng)無法啟動會造成斷水，為此本系統(tǒng)設置了通電后自動變頻啟動方式。在電源恢復后，PLC會發(fā)出指令，蜂鳴器發(fā)出警告，然后按自動運行方式變頻啟動1#泵，直到穩(wěn)定地運行在給定水壓值。(6)消防報警。當出現(xiàn)消防報警信號時，系統(tǒng)立即按照消防壓力運行。(7) 故障處理。變頻故障從冗余設計原則考慮，在變頻器發(fā)生故障時也要不間斷供水。當變頻器突然發(fā)生故障，蜂鳴器報警，PLC發(fā)指令使全部水泵停機，然后1#泵工頻運行（若水泵功率大于37KW，則需要采用降壓啟動或其它啟動方式），經(jīng)一定延時后根據(jù)壓力變化情況再使2#泵工頻運行。此時，PLC切換泵則

44、根據(jù)實際水壓的變化在工頻泵間切換。當出現(xiàn)水池無水停機、電動機欠壓、過壓、錯相、電機故障等情況時，均能由蜂鳴器發(fā)出警報聲。條件許可時可以添加MODEM模塊，在變頻器、電動機發(fā)生故障時能通過遠程通信口撥叫值班人員電話，通知有關(guān)人員前來維修。所有故障解決、恢復正常后，自啟動前也要發(fā)出報警信號。3.2系統(tǒng)的理論分析3.2.1恒壓控制的理論模型對變頻恒壓供水的主要特點進行分析，我們可以得出如下結(jié)論:變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象。對它的控制仍屬于工業(yè)過程控制的范疇，它以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的

45、供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)3。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上。變頻恒壓控制的原理圖如下：從恒壓控制的原理圖中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程

46、中實際供水壓力高于設定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機組的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設定壓力相等。3.2.2變頻恒壓供水的近似數(shù)學模型由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數(shù)學模型，只能進行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程:水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程;水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程。系統(tǒng)中其

47、他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成:式中:K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計本系統(tǒng)設計的是一個三水泵生活/消防雙恒壓無塔供水系統(tǒng)。市政管網(wǎng)來的自來水經(jīng)過電動閥門控制自動把水注入水池，水位達到上限時閥門自動關(guān)閉，停止注水；水位低于下限值時，閥門打開，對水池進行注水。水池的高低水位信號也直接傳送給PLC，作為高低水位報警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器的高低

48、距離較小。4.1系統(tǒng)控制功能及特點1、全自動運行無須人工操作。2、用水量少時，自動切入小泵運行；無人用水時自動進入休眠狀態(tài)，節(jié)省電費開支20%-50%。3、手動狀態(tài)設有單泵變頻運行方式，可手動指定運行哪個泵，停止哪個泵，易于檢修。4、手動狀態(tài)設有工頻運行方式，提高系統(tǒng)可靠性，當變頻器出現(xiàn)故障時可切換的工頻運行方式，不會影響供水。5、變頻器對電機進行軟啟軟停，減少設備損耗，延長電機使用壽命。6、管網(wǎng)壓力無沖擊，無水錘現(xiàn)象，壓力恒定7、故障自診斷和自處理功能，對過流、欠壓、過壓、過載、斷水和變頻器故障均能自行診斷。8、根據(jù)甲方要求可預留通訊接口，便于接入樓宇集中監(jiān)控系統(tǒng)。4.2 硬件設計4.2.1

49、 PLC及其擴展模塊的選型PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的任務有很多，它能代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字式PID調(diào)節(jié)。一只傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器往往只能實現(xiàn)一路PID設置，用PLC作調(diào)節(jié)器可同時實現(xiàn)多路PID設置，在多功能供水泵站的各類工況中PID參數(shù)可能不一樣，使用PLC作數(shù)字式調(diào)節(jié)器就十分方便。在多泵組恒壓供水泵站中，為了使均勻地磨損，水泵及電機是輪換著工作的。在設單一變頻器的多泵組泵站中，如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔任的。主泵在運行時到達最高頻率時，增加一臺工頻泵投入運行。PLC則是泵組管理的執(zhí)行設備。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的

50、模擬量控制模塊，該模擬量的輸入端接受傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。出了泵組的運行管理工作外，泵站還有許多邏輯控制工作，如手動、自動操作切換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等，這些都可以在控制程序中安排。由系統(tǒng)的組成分析知，系統(tǒng)共有輸入點8個、開關(guān)量輸出點14個、模擬量輸入輸出各一個。若用CPU222點數(shù)不夠，在擴展也用好幾個模塊。若選用CPU226則價格太高，浪費業(yè)大。所以選用CPU224一臺。加一臺數(shù)字量擴展模塊EM235（8繼電器輸出）。PLC的普通輸入輸出端口均為開關(guān)量端

51、口，為了使PLC能完成模擬量的處理，常見的方法是為整體式PLC加配模擬量擴展單元。模擬量擴展單元可將外部模擬量轉(zhuǎn)換為PLC可以處理的數(shù)字量及將PLC內(nèi)部運算結(jié)果數(shù)字量轉(zhuǎn)換為機外所需的模擬量，S7200系列的模擬量擴展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路，模擬量輸出，可以用于恒壓供水系統(tǒng)控制中4。EM235的輸入端口的接線方式如下:RAA+A-RBB+B-EM235的輸出端口的接線方式如下:ML+GNDMOVOIO增益偏移配置（DIP）電流負載模擬模塊在接入開路工作前需完成配置及校準，配置指根據(jù)實際需接入的信號類型對模塊進行的一些設定。校準是為儀器儀表作使用前的調(diào)零及調(diào)滿刻度。EM235增

52、益及偏置使用電位器進行調(diào)整，配置使用6只開關(guān)。開關(guān)狀態(tài)組合成對應的輸入范圍及分辯率，根據(jù)本系統(tǒng)的實際需要，6個開關(guān)可配置為單極性，滿量程輸入為020mA，分辨率為5uA。開關(guān)狀態(tài)如下：EM235配置端口的配置值SW1SW2SW3SW4SW5SW6滿量程分辨率ONOFFOFFOFFOFFON020mA5uA由于壓力傳感器送來的電流信號為標準的420mA的信號，因此此電流信號的具體轉(zhuǎn)換值為：(32000/20)*4(32000/20)*20, 即 640032000。采用CPU222單元加數(shù)字量擴展單元和模擬量擴展單元，這樣就使系統(tǒng)的配置最經(jīng)濟。配置圖如下：主機單元CPU222數(shù)字量單元EM222

53、模擬量單元EM2354.2.2變頻器及控制方式選擇在傳統(tǒng)的變頻控制系統(tǒng)中，變頻器的啟動/停止由PLC通過開關(guān)量輸出控制，變頻器頻率是由PLC通過模擬量輸出端口輸出05(10)V或420mA信號控制的，這需要購買PLC比較昂貴的模擬量輸出端口模塊。對變頻器故障的檢測是只是由PLC讀取變頻器的故障報警觸點，只是知道變頻器出現(xiàn)故障，但具體什么故障并不清楚，需操作人員查詢變頻器報警信息后再閱讀變頻器說明書才知道，這對于一般值班人員來說太難了。因此在本系統(tǒng)中PLC對變頻器的控制是通過串行通訊的方式實現(xiàn)的，變頻器選用SIEMENS的MICROMASTER 4 變頻器，它們具有RS-485通訊接口，性價比較

54、高。PLC通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計運行時間和過壓、過流、過負荷等全部報警信息等參數(shù)，這比通過外部端口控制變頻器的運行具有較高的可靠性，節(jié)省了PLC寶貴的I/O端口，又獲的了大量變頻器的信息。此外，變頻器的容量和周圍環(huán)境(溫度、濕度、振動、干擾等的選擇也很重要.1、輸出容量是指：三相情況下的額定輸出電壓與輸出電流決定的三相視在功率。額定輸出電流為變頻器可以連續(xù)輸出的最大交流電流有效值，不管與用于何種用途，都不允許電流連續(xù)流過值超過此值。一般根據(jù)電機電流選擇變頻器的容量。使用6極以上的電機或多臺電機并聯(lián)運轉(zhuǎn)時，如果僅用適用電機功

55、率來選擇變頻器變得不確切時，可按以下關(guān)系來決定變頻器的容量Io=nKIm式中 Io變頻器的額定輸出電流，A; Im電動機的額定電流，A; K 裕度修正稀疏，如果是小容量電動機K 取1，大容量電動機K 取1.1；n并聯(lián)運轉(zhuǎn)的電機總臺數(shù)。使用逆變器的傳動電機比直接用工頻電源接入電機時，產(chǎn)生同樣功率時的電動機電流有所增加，故用裕度系數(shù)K。但對小容量電動機，裕度系數(shù)取為1。2、變頻器輸出電壓與輸出頻率的選擇變頻器輸出電壓可按電動機額定電壓選定.進行頻率選擇時可根據(jù)逆變器的使用目的來確定最高輸出頻率.附:變頻器的快速調(diào)試步驟:P003 用戶訪問級 P003=1P0010 開始快速調(diào)試P0010=0P02

56、05 變頻器應用對象 P0205=1P0304 額定電動機電壓 P0304=銘牌參數(shù)P0305 電動機額定電流 P0305=銘牌參數(shù)P0307 電動機額定功率P0307=銘牌參數(shù)P0308 電動機額定功率因數(shù) P0308=銘牌參數(shù) P0310 電動機額定頻率P0310=銘牌參數(shù)P0311 電動機額定轉(zhuǎn)速 P0311=銘牌參數(shù)P0700 選擇命令源P0700=2P1000 選擇頻率設定值P1000=3P1080 電動機最小頻率P1080=20HZP1082 電動機最大頻率P1082=50HZP1120 斜坡上升時間 P1120=25sP1121 斜坡下降時間 P1121=30sP3900 結(jié)束快

57、速調(diào)試P3900=1快速調(diào)試結(jié)束,變頻器進入運行準備就緒4.2.3檢測元件監(jiān)控技術(shù)是依靠變送器等設備來檢測信息的，根據(jù)系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，來自生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程參數(shù)經(jīng)過變送器測量變送后變?yōu)? 20mA的標準儀表信號，經(jīng)電纜傳送至儀表室的PLC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號。本系統(tǒng)采用北京萬群自動化控制設備有限公司和西安天立傳感技術(shù)研究中心生產(chǎn)的壓力變送器SBP800。WQ-SBP800壓力變送器應用了硅精蝕工藝和硅晶片疊合技術(shù)兩項世界尖端技術(shù),是一種高質(zhì)量帶隔離膜片的新型小巧壓力變送器。它是引進美國ICSensors及德國E+H公司先進的擴散硅壓力傳感器和電路技術(shù)組裝開發(fā)而成的,幾年來,廣

58、泛使用在石油、化工、冶金、能源、環(huán)保、輕工、制藥等行業(yè)中。該產(chǎn)品具有體積小，重量輕，精度高等特點。經(jīng)受了市場嚴格的選擇,其優(yōu)越的性能和特點,牢靠的質(zhì)量和服務,深受用戶喜愛。4.3電氣控制系統(tǒng)原理圖設計4.3.1主電路圖電控系統(tǒng)主電路圖中三臺水泵分別為M1、M2、M3、M4。接觸器KM1、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵的過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器；MM440為變頻器。在硬件系統(tǒng)設計中，采用一

59、臺變頻器連接4臺電動機，每臺電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。變頻器主電路電源輸入端子(R, S, T)經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U, V, W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向和預設定不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U, V, W)的任意兩相。一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用控制臺面板或控制柜的運行和停止鍵

60、或者是外控端子FWD (REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。具體圖紙請參看附錄。4.5.2控制電路圖電控系統(tǒng)控制電路圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置時為手動控制狀態(tài)；打在位置2時為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1SB8控制三臺泵的啟停和電磁閥F2的通斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC的程序控制下運行。HL10為自動運行狀態(tài)下的電源指示燈。對變頻器頻率進行復位時有一個觸點信號，由于PLC為4個輸出點為一組共用一個COM端口，而本系統(tǒng)又沒有又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻操作控制。在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔

61、離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。為了保護PLC設備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，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写嬖陔娐分g互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動循環(huán)，所以電路的互鎖是指電機之間運行的互鎖。嚴禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連?？刂齐娐分羞€必須考慮系統(tǒng)電機當前工作狀態(tài)指示燈的設計，為了節(jié)省

62、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常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。詳細連接請參看附錄。4.5.3 PLC外圍接線圖本系統(tǒng)采用以西門子PLC為控制核心，再加上模擬量擴展模塊EM235，構(gòu)成了較經(jīng)濟的控制系統(tǒng)。PLC的外圍接線圖請參看附錄。本系統(tǒng)在電氣控制部分規(guī)劃時，充分考慮到用戶的功能需求和設備本身的機械特性及系統(tǒng)的通用性，在具體實現(xiàn)過程中，又以系統(tǒng)的可靠性、易用性和節(jié)能為準則，盡量把本系統(tǒng)開發(fā)成為一個功能齊全、可靠性高、自動化程度高且適用場合比較廣的供水控制系統(tǒng)。4.4 軟件設計4.3.1參數(shù)初始化程序。其中包括變頻器頻率電壓標準值，水管壓力的上下限，設定壓力值，PID控制器的P，I，D參數(shù)，系統(tǒng)的采樣時間以及定時中斷的時間間隔和相關(guān)的寄存器。4.3.2水泵工作順序控制程序。由于用戶用水的非線性，泵會往復工作且一泵容易長期工作，減少泵的使用壽命，增加維護費用，故加入此控制程序。且設定換泵周期為一天。4.3.3自動/