變頻器恒壓供水系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

1、變頻器恒壓供水系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。我國(guó)中小城市水廠尤其是老水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)配置相對(duì)落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動(dòng)控制無法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時(shí)作出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為了保證供水，機(jī)組通常處于超壓狀態(tài)運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，曝?fù)p也十分嚴(yán)重。本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在經(jīng)過PID運(yùn)算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)

2、節(jié)恒壓供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，PID調(diào)節(jié)，PLC，監(jiān)控系統(tǒng)INVERTER CONSTANT PRESSURE WATER SUPPLY SYSTEMABSTRACTWith the rapid socio-economic development，urban construction expanding the scale of population increase and the continuous improvement of living standard of urban water supply quanti

3、ty，quality，stability，higher and higher requirements.Small and medium cities in China，especially the old water plant water plant control system configuration is relatively backward，the control unit depends on duty personnel manual.Control process is complicated，and can not manually control the pressu

4、re of the water supply network and water level changes to make appropriate and timely response.To ensure the water supply unit operating normally in overpressure condition，not only low efficiency，power consumption，and the overpressure of sewer running a long time，exposure is also very serious damage

5、.This paper introduces the PLC-controlled frequency conversion water supply system，conducted by the PLC logic control，pressure regulation by the inverter.After PID operation by PLC control frequency and switching freQuency to achieve closed-loop automatic adjustment of constant pressure water supply

6、.The result shows that the system has pressure stability，simple structure，reliable.Keywords:frequency conversion，constant pressure water supply，PID regulator，PLC，monitor and control-system目錄摘要IABSTRACTII目錄i1緒論11.1城市供水系統(tǒng)的要求11.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)31.3變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義41.4國(guó)內(nèi)外研究概況51.5題來源及本文的主要研究?jī)?nèi)容72 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介82.1

7、供水系統(tǒng)的基本特性82.2變頻調(diào)速原理82.3水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理93 恒壓供水系統(tǒng)理論分析和方案113.1供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系113.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)模型133.2.1 變頻恒壓控制的理論模型133.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型143.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定143.3.1供水系統(tǒng)的控制流程143.3.2供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析194變頻恒壓供水的控制224.1 PID控制器的設(shè)計(jì)224.1.1 PID控制算法及特點(diǎn)224.1.2 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則254.2 PID調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)使用結(jié)果及分析265變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)275.1結(jié)構(gòu)介紹及作用275.

8、2系統(tǒng)主要配置的選型295.2.1水泵的選型295.2.2變頻器的選型315.2.3 PLC配置325.2.4壓力變送器及數(shù)顯儀的選型335.2.5系統(tǒng)的控制電路接線圖與總體結(jié)構(gòu)如圖356變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)376.1系統(tǒng)運(yùn)行主程序376.2故障檢測(cè)子程序376.4泵切換程序376.4定時(shí)修改壓力設(shè)定值376.5對(duì)外通訊子程序38總結(jié)40參考文獻(xiàn)41致謝421緒論1.1城市供水系統(tǒng)的要求眾所周知，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(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)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(dòng)化程度低

9、。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(yīng)求的現(xiàn)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(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)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）一臺(tái)恒速泵直接供水系統(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(yán)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(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能住夜間崩水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量差極。（2）恒速泵+水塔的供水方式這

10、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低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔泣滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)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(yáng)程的條件下，水泵處于高效能區(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(shí)時(shí)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(shè)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(yuǎn)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，如采該系統(tǒng)水塔的水位

11、監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動(dòng)的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。（3）射流泵+水箱的供水方式這種方式是利用射流泵本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，利用壓差和來水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝來實(shí)現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不完善，加之該方式會(huì)出現(xiàn)有壓無量（流量）的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。（4）恒速泵+高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水

12、箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人工操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。（5）恒速泵+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(cè)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(shè)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(jìn)入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。（6）變頻調(diào)速供水力式這種系統(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(hào)與設(shè)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(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)

13、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)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(diǎn)恒壓控制。1）出口變壓控制水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。是將每日24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口進(jìn)行全同變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。2）出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將

14、壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小，整個(gè)給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時(shí)，出于管路能耗較大，在低峰用水時(shí)，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。3）最不利點(diǎn)恒壓控制最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠(yuǎn)，壓力信號(hào)的傳輸在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。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

15、依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，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(fèi)。同時(shí)水泵是工頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無級(jí)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(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，。啟動(dòng)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(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時(shí)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

16、僅為幾平米。由此可見變頻調(diào)速供水方式比氣出罐供水方式將節(jié)省占地面積。在運(yùn)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(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量?jī)H占其總?cè)莘e的1/3-1/6，因而每個(gè)縫的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)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，

17、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(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。1.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)電機(jī)調(diào)速經(jīng)歷從靜止的晶閘管整流器直流調(diào)選到交流感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展過程；變頻調(diào)速又由VVVF的變壓三變頻控制的PWM變頻調(diào)速發(fā)展到矢量控制變頻調(diào)速，提高了變頻器的恒定轉(zhuǎn)矩輸出范圍和動(dòng)靜態(tài)特性，使得交流電機(jī)變頻調(diào)運(yùn)性能超過了直流電動(dòng)機(jī)調(diào)

18、壓，調(diào)速性能；在矢量控制變頻凋調(diào)速的基礎(chǔ)上又發(fā)展了無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速。現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步和高壓大功率開關(guān)器件的成功開發(fā)和應(yīng)用，交流變頻調(diào)速在技術(shù)與性價(jià)比上已優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)。在中、高壓（3kv，6kv，10kv）等調(diào)速范圍的應(yīng)用也越來越多。隨著電力電子器件的發(fā)展，特別是具備有將單極型和雙極型大功率管兩種器件組成的混合氣傳動(dòng)裝置的控制由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，使信息處理能力大幅度地增強(qiáng)1，出現(xiàn)了許多高、中壓的變頻設(shè)備（像西門子、ABB、羅克韋爾），本文介紹的變頻調(diào)速電壓等級(jí)是380V的低壓變頻器。1.3變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需大量消

19、耗能量，提高泵站效率，降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我國(guó)泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等等原因，致使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)?shù)谋壤?。這一方面是出于我國(guó)居民多，用水量大，造成用電量大；另一方面是因?yàn)槲覈?guó)供水設(shè)備工作效率低，控制方式不夠科學(xué)合理。造成不必要的能量浪費(fèi)。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少

20、能耗，保障供水的一個(gè)很有意義的工作。掘統(tǒng)計(jì)，全國(guó)381個(gè)城市中的344個(gè)城市自來水廠，1987年的用電量合計(jì)為47億千瓦時(shí)。計(jì)入其它城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水以及工業(yè)給水設(shè)施用電，總計(jì)耗電約65億千瓦時(shí)左右。若按90為水泵機(jī)組用電，則水泵的總用電量約計(jì)60億千瓦時(shí)。如果一半機(jī)組采用調(diào)速裝置，則每年可節(jié)電4.5億千瓦時(shí)。可見水泵調(diào)速的節(jié)電潛力很大，經(jīng)濟(jì)效益很高。目前全國(guó)絕大多數(shù)水泵機(jī)組都沒有采用調(diào)速裝置，在進(jìn)行供水水量、供水壓力控制調(diào)節(jié)時(shí)，多采用閥門控制（壓水門）與開機(jī)臺(tái)數(shù)控制，能源資源浪費(fèi)嚴(yán)重。對(duì)于大多數(shù)電力供水泵站來說，日常運(yùn)行費(fèi)用太高，抽水成本居高不下，提抽的單位水量的能耗太大，是一個(gè)長(zhǎng)期困擾供水泵

21、站的問題。從泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論入手是解決這一難題的辦法之一，也是一個(gè)比較有效的辦法。目前給水泵站的設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。另外，電動(dòng)機(jī)與水泵之間的大馬拉小車問題也很嚴(yán)重。水泵機(jī)組的調(diào)速運(yùn)行是泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。傳統(tǒng)的定（恒）速水泵供水系統(tǒng)是指水泵在額定轉(zhuǎn)速下為系統(tǒng)提供一定水量的供水系統(tǒng)這種傳統(tǒng)而簡(jiǎn)單的給水方式，無反饋信號(hào)和壓力控制。用水量小時(shí)，系統(tǒng)壓力增高，泵效率降低，管路內(nèi)漏增加，閥門損壞加劇。用水量增大時(shí)，系統(tǒng)壓力則降低，易造成系統(tǒng)高位供水點(diǎn)斷流。實(shí)際上，定（恒）速水泵給水系統(tǒng)不但存在供水質(zhì)量差，壓力波動(dòng)大的缺陷，而且不易實(shí)現(xiàn)有效的經(jīng)

22、濟(jì)運(yùn)行。對(duì)于用水量變化大的給水系統(tǒng)，特別是用水量小于二分之一額定流量時(shí)，水泵工況點(diǎn)偏離高效能區(qū)之外運(yùn)行，能量損失嚴(yán)重2。水泵機(jī)組變頻調(diào)速運(yùn)行的研究和運(yùn)用，目前已經(jīng)成為城鎮(zhèn)供水行業(yè)的重要課題，各地區(qū)根掘本地不同情況，也逐步開始運(yùn)用。特別是在二十世紀(jì)90年代開始，己逐漸在各地區(qū)城鎮(zhèn)供水廠的二次加壓泵站中（即二級(jí)送水泵站）使用。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)、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。變頻調(diào)速給水系統(tǒng)是由作為核心部件的變頻調(diào)速器以及壓力傳感器、控制器、

23、泵和管路組成的給水系統(tǒng)。它根據(jù)用戶用水量的實(shí)際需求，設(shè)定壓力控制值，控制器按傳感器送來的用戶用水量信息，控制變頻器的頻率，自動(dòng)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到調(diào)速及調(diào)節(jié)水量的目的。這種調(diào)速供水系統(tǒng)既能保持管網(wǎng)壓力恒定，又能隨時(shí)調(diào)整供水量。盡管水泵時(shí)常偏離額定流量工況點(diǎn)工作，但水泵的效率仍然維持在高效能區(qū)3。水泵電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用具有其多個(gè)方面優(yōu)越性能：一是節(jié)電顯著；二是在開、停機(jī)時(shí)能夠減小電流對(duì)電網(wǎng)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。在眾多供水行業(yè)中的許多實(shí)例表明：對(duì)水泵電機(jī)采用調(diào)速技術(shù)對(duì)企業(yè)降低能耗，提高管網(wǎng)和設(shè)備的使用壽命有著重大的經(jīng)濟(jì)意義，也是保障管網(wǎng)系統(tǒng)

24、供水安全運(yùn)行的方法之一。PLC是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置，是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自動(dòng)控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之一。PLC在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方而有了質(zhì)的飛躍。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(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，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這

25、在能量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。1.4國(guó)內(nèi)外研究概況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(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、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(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。從查閱的資料的情況來看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)

26、行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器（丹佛斯是傳動(dòng)產(chǎn)品全球血大核心供應(yīng)商之一）后，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)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)的施耐德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(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

27、多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī)（泵）的供水系統(tǒng)4。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(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)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(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、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所

28、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(tuán)（森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專用變頻器（2.2kw-30kw），無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(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?？梢钥闯觯壳霸趪?guó)內(nèi)外變頻調(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)控制的研究處是不夠的。因此，

29、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)踐中。目前，在給水泵站中水泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要控制方式是采集管網(wǎng)壓力信號(hào)，采用閉環(huán)控制的方法，通過變頻調(diào)速系統(tǒng)來控制水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速以改變水泵的出水揚(yáng)程和電機(jī)的輸出功率。采用變頻調(diào)速控制改善了工藝，水泵閥門可在全開位置，其出口壓力等于管網(wǎng)供水壓力。閥門節(jié)流損失減小到零。由于變頻器可以非常平滑穩(wěn)定的調(diào)整，運(yùn)行人員可以自如的調(diào)控，改善了供水質(zhì)量，提高了效率?？梢员苊庖蛲ㄟ^閥門控制導(dǎo)致泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動(dòng)。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來改變水泵的出水揚(yáng)程，以滿足不同條件時(shí)對(duì)水泵的性能要求。

30、由于起動(dòng)緩慢，相應(yīng)地延長(zhǎng)了許多零部件，特別是密封件、軸承的壽命。有效地延長(zhǎng)檢修維護(hù)周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費(fèi)用。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，起動(dòng)時(shí)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管（市政來水管）進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)5。變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式（如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)

31、速等），是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。它采用微機(jī)控制技術(shù)；電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。1.5題來源及本文的主要研究?jī)?nèi)容本課題的目標(biāo)是通過變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，達(dá)到相關(guān)工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求。本論文研究的主要內(nèi)容如下：（1）通過揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。（2）變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。（3）分析變頻恒

32、壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒如供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。（4）在介紹PID調(diào)節(jié)原理的基礎(chǔ)上，分析利用PID調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)恒壓供水的調(diào)節(jié)過程，給出PID參數(shù)設(shè)置方法。（5）在實(shí)際供水系統(tǒng)中運(yùn)行該系統(tǒng)，分析系統(tǒng)性能。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開啟度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量之間的關(guān)系曲線，如圖2-1所示。由圖2-1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。出于在閥門開啟度和水泵轉(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(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q之間的關(guān)系。而

33、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(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系。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(dòng)阻力的變化規(guī)律。出圖可知，在同一閥門開啟度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開啟度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特住所反映的是揚(yáng)程與供水流量之間的關(guān)系。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2-1中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀念，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行6。圖2-1供水系統(tǒng)的主要特性2.2變頻調(diào)速原理變頻恒壓供水系

34、統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(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（具體原理將在下一章闡述）。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)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的7。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： （2-1） 異步電機(jī)的同步速度為： （2-2）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： （2-3）其中：為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； f是異步電機(jī)的定子電源頻率；p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。從上式可知，當(dāng)電機(jī)電極對(duì)數(shù)P不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻

35、率f成正比，因此連續(xù)調(diào)書異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，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(jī)械恃性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的。調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵（風(fēng)機(jī)）電機(jī)的調(diào)速。2.3水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥f門開啟度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻的特性

36、將隨著閥門開啟度的改變而改變，但其揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門的開啟度存一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開啟度保持不變，是通過改變水的動(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，但管阻的特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制8。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(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。當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q，揚(yáng)程為，當(dāng)供水量從減小到時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從，移到

37、，揚(yáng)程特性曲線（圖2-2）不變。而揚(yáng)程則從上升到，運(yùn)行的工況點(diǎn)從E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為（0，F(xiàn)，）圍成矩形部分，其值為： （2-4）當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓（）、變速泵（）供水，管阻特性曲線為，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率用圖形表示為（0，D，）圍成的矩形面積，其值為： （2-5）可見，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（，D，F(xiàn)，）圍成的矩形面積，其值為：圖2-2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特征曲線 （2-6）所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有功率被浪費(fèi)掉。并且隨著閥門不斷的關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻的特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是增大，而被浪費(fèi)的功率

38、要隨之增加。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量Q、揚(yáng)程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系為： （2-7）式中，、為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，、為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由公式（2-7）可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成艱比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。3 恒壓供水系統(tǒng)理論分析和方案3.1供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過對(duì)變頻器輸出頻率的控制來實(shí)現(xiàn)的。確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計(jì)控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算法的依據(jù)。送水泵站所采用的水泵

39、是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)來完成對(duì)水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)水流高速旋轉(zhuǎn)，靠水流產(chǎn)生的離心力將水流甩出去，離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起，在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為“裝置”，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，真正對(duì)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)有價(jià)值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。在水泵結(jié)構(gòu)和理論中，有一些評(píng)價(jià)水泵性能的參數(shù)，供水系統(tǒng)的主要參數(shù)如下：流量（Q）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。常用單位是。揚(yáng)程（H）：

40、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。其常用單位是m。軸功率（N）：水泵軸上的輸入功率（電動(dòng)機(jī)的輸出功率），或者說是水泵取用的功率。效率（）：水泵的有效功率和軸功率之比，其中有效功率是指單位時(shí)問內(nèi)通過水泵的液體從水泵那里得到的能量。轉(zhuǎn)速（n）：水泵葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度根據(jù)水泵理論，在圖3-1中， （3-1）其中，：真空表讀數(shù)（公斤/厘米） ：壓力表讀數(shù)（公斤/厘米） ：水的單位容積重量 ：水泵出水口測(cè)量點(diǎn)與進(jìn)水口測(cè)量點(diǎn)位置差造成的附加揚(yáng)程 ：水泵出水口與進(jìn)水口的動(dòng)能增量轉(zhuǎn)化的揚(yáng)程由于水泵在送水的過程中，清水池水位一般高于水泵的測(cè)量點(diǎn)，所以不存在進(jìn)水口抽真字，所以

41、在進(jìn)水口的真空值為0。水泵進(jìn)水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為0。水泵在正常工作時(shí)，動(dòng)能的變化相對(duì)比較小?？紤]到這些具體情況，上式可以改寫為： （3-2）水泵的軸功率為： （3-3）把揚(yáng)程的表達(dá)式帶入上式，得： （3-4）水泵是與一臺(tái)交流感應(yīng)電機(jī)相連，由電機(jī)帶動(dòng)其運(yùn)行的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速相同，電機(jī)的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機(jī)理論中，感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械功率為： （3-5）在變頻調(diào)速是，由于磁通不變，從電機(jī)公式 （3-6） 圖3-1 離心泵裝置可以看出，要使主磁通保持不變，則必須保持不變。因此在變頻調(diào)速過程中，電壓應(yīng)該與頻率成正比例變化，設(shè) （3-7）代入式（3-5）得： （3-

42、8）根據(jù)能量守恒定律，有 （3-9）其中，為電機(jī)的效率，所以，水泵裝置在變頻調(diào)速的工作狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有 （3-10）從上式可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率一定的情況下，當(dāng)用戶用水量增大，從而Q增大時(shí)，壓力表的讀數(shù)將會(huì)變小，即管網(wǎng)的供水壓力將會(huì)降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速；當(dāng)用戶的用水量減小時(shí)，Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網(wǎng)的供水壓力將會(huì)增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率。由于用戶的用水量是始終在變化的，雖然在時(shí)段上具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但對(duì)精度要求很高的恒壓控制來講，在每一個(gè)時(shí)刻它都是一個(gè)隨機(jī)變化的值。這就要求變頻器的輸出頻率也

43、要在一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化之中，依靠對(duì)頻率的調(diào)節(jié)來動(dòng)態(tài)地控制管網(wǎng)的供水壓力，從而使管網(wǎng)中的壓力恒定9。3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)模型3.2.1 變頻恒壓控制的理論模型圖3-2變頻恒壓控制原理變頻恒壓控制系統(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)，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，從圖3-2中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增

44、加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。3.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型如前文所述，由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水

45、泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫?，這是一個(gè)純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比，可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： （3-11）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間。3.3變頻恒壓供

46、水系統(tǒng)控制方案的確定3.3.1供水系統(tǒng)的控制流程從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、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)主要的設(shè)計(jì)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。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，有以下幾種方案可供選擇10：（1）有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(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

47、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）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，具有較高的性能價(jià)格比。但開發(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)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的

48、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）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，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過P機(jī)來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。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對(duì)以上這幾種方案的比較和

49、分析，可以看出“變頻器主電路+PLC（包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制）+人機(jī)界面+壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統(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確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點(diǎn)的用水需求，同時(shí)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(shí)段特點(diǎn)，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(diǎn)，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(huì)改變。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常

50、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(shí)間，流量很小或?yàn)榱悖桓鞣N類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖3-3所示。本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。這類型用水需求在較長(zhǎng)時(shí)間段表現(xiàn)為低流量，相對(duì)于設(shè)計(jì)流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)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(dòng)沖擊電流小，也有利于電機(jī)泵的壽命，此外水泵在低速運(yùn)行時(shí)，平穩(wěn)、噪聲小。由于用水呈低流量變化型的特點(diǎn)，采用多臺(tái)水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺(tái)數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連

51、續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。圖3-3用戶用水量變化類型a）連續(xù)型（全流量變化型） c）連續(xù)型（低流量變化型）b）連續(xù)型（高流量變化型） d）間歇型多泵并聯(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。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。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分

52、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PLC通過編程來實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓。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，開啟水泵后打開電動(dòng)碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)碟閥后停機(jī)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。綜上所述，變頻恒壓供水的系統(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)三大部分，具體為：1）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管網(wǎng)，其中由變頻泵和附屬小泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變

53、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；附屬小泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下（例如：夜間）對(duì)管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因：用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)；供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí)（如：夜間）可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音：在用水量不太大時(shí)，系統(tǒng)中不是所有的水

54、泵在運(yùn)行，這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。2）信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。水壓信號(hào)反映的是用戶管網(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；液位信號(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)來自在安裝于水源處的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有

55、異常，該信號(hào)為開關(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)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)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，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵）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)用交頻去拖動(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，本文采用前者。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