基于plc高樓無塔供水系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p>　　基于PLC高樓無塔供水系統(tǒng)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，住房制度正不斷深入的改革，人們生活水平也在不斷的提高。城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面。供水的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活

2、和工作，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。</p><p>　　通過對(duì)變頻器內(nèi)置PLC模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng).根據(jù)用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。&

3、lt;/p><p>　　論文論述了采用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的合理性，分析了恒壓供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過程及存在的問題。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　通過對(duì)計(jì)算機(jī)和PLC之間通信協(xié)議的研究，完成了上、下位機(jī)的通信設(shè)置，給出了計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序編寫方法，通過通信模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和

4、故障報(bào)警。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 PLC 恒壓供水</p><p>　　Based on PLC tall tower of water supply system</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with the development of t

5、he economy of our country, the housing system is going deep into reforms，and people’s living standard is being improved．At the same time，in the city，each kind of sub-district construction is developing very quickly，which

6、 puts forward higher requirement for the infrastructure construction of sub-district. And the construction of sub-district water supply system is among them of an important aspect. The reliability，stability and economy o

7、f water supply directly affec</p><p>　　Setting up in advance the parameter of the PLC modular built-in the transducer ,a system of closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of far biography pre

8、ssure table has formed．According to the change of water consumption ,with PID，in the sphere of whole rate of flow, combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade

9、regulation，the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficient</p><p>　　This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel

10、 connection，and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump way of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation

11、 mode to work frequency operation mode． This paper has also given the electrical design scheme and PLC controlling program scheme that realizes effective state circulating conversion control．</p><p>　　By res

12、earching the communication agreement between the computer and PLC，this paper has finished setting up the communication between upper and lower computer, and also has described the method to compile computer monitoring pr

13、ogram to realize the long—range monitoring and fault reporting for water supply system through communication modular．</p><p>　　Key words: variable velocity variable frequency PLC constant pressure water-s

14、upply</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　第1.1節(jié) 選題背景及意義2</p><p>　　第1.2

15、節(jié) 國內(nèi)外研究概況3</p><p>　　第1.3節(jié) 論文的主要研究內(nèi)容5</p><p>　　第2章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及設(shè)計(jì)6</p><p>　　第2.1節(jié) 系統(tǒng)的理論分析6</p><p>　　第2.2節(jié) 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　第3章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

16、18</p><p>　　第3.1節(jié) 系統(tǒng)主要配置18</p><p>　　第3.2節(jié) 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　第3.3節(jié) 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　第3.4節(jié) PLC I/O端子設(shè)計(jì)26</p><p>　　第4章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)29</p>

17、<p>　　第4.1節(jié) 供水系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析29</p><p>　　第4.2節(jié) PLC程序設(shè)計(jì)方法33</p><p>　　第4.3節(jié) PID原理在系統(tǒng)中的應(yīng)用39</p><p>　　第4.4節(jié) PID系統(tǒng)可行性分析44</p><p>　　第5章 變頻恒壓供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)45<

18、;/p><p>　　第5.1節(jié) 監(jiān)控系統(tǒng)硬件45</p><p>　　第5.2節(jié) FX系列PLC通訊協(xié)議47</p><p>　　第5.3節(jié) PLC通信程序設(shè)計(jì)48</p><p><b>　　結(jié) 論50</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b&g

19、t;</p><p><b>　　致 謝53</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水可靠性提出了越來越高的要求。日常用水對(duì)人們生活有著極其重要的意義，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小

20、區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統(tǒng)的小區(qū)大多采用水塔供水系統(tǒng)，水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，維護(hù)不方便，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，主要應(yīng)用于高層建筑。</p><p>　　目前的供水方式朝高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、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。因此基于PLC（可編程控制器）的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，越來越

21、受到人們的重視和青睞。通過對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護(hù)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(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。具體而言，本文的研究內(nèi)容主要包括：</p><p>　　（1）在對(duì)課題分析基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)方案和思路；</p><p>　　（2）

22、分析供水系統(tǒng)節(jié)能原理，給出變頻調(diào)速方式恒壓供水控制流程和實(shí)施方案；</p><p>　?。?）研究PID（比例積分微分）控制器的設(shè)計(jì)原理與方法；</p><p>　?。?）通過計(jì)算機(jī)與PLC通信實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 </p><p>　　本文對(duì)可編程控制器和變頻器發(fā)展及工作原理、基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基本的介紹，將二者有機(jī)地結(jié)合起來，用可編程控制器來控制

23、變頻器完成整體供水系統(tǒng)是當(dāng)代工業(yè)控制中經(jīng)常使用的方法。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　第1.1節(jié) 選題背景及意義</p><p>　　隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建

24、設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2000年到2006年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）由175.7升增加到241.1升，增長了37.2%，與此同時(shí)我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國的666個(gè)城市中有330個(gè)不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個(gè)；在32個(gè)百萬人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長期受缺水的困擾，特別是水資源短缺

25、地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元；同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。[1]</p><p>　　傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水。恒速泵加壓供水方式無法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用

26、水量較少時(shí)，管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬啟動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)且啟動(dòng)頻繁，對(duì)電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵啟動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效段，同時(shí)出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。水塔高位水箱供水是常用的供水方式，目前主要應(yīng)用于高層建筑，它具有控制方式簡單、運(yùn)

27、行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬啟動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁啟動(dòng)易損壞聯(lián)軸器。</p><p>　　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(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，難以適應(yīng)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)生活的需要。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高

28、能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。</p><p>　　PLC（可編程控制器）變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系統(tǒng)

29、具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以開發(fā)基于PLC變頻調(diào)速恒壓無塔供水系統(tǒng)，對(duì)于提高人民的生活水平、降低能耗等具有重要的意義。</p><p>　　第1.2節(jié) 國內(nèi)外研究概況</p><p>　　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(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)

30、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)行的情況，因而投資成本高。到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)品全球五大核心供應(yīng)商之一）后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系

31、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P</p><p>　　目前國內(nèi)有

32、不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國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)到所有用戶的要求。原深圳華為（現(xiàn)已更名為艾默生）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

33、外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)啟動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)（丹麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換）。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。</p><p>　　可以看出，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(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水

34、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)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。</p><p>　　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

35、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)速來改變水泉的出水揚(yáng)程，以滿足不同條件時(shí)對(duì)水泵的性能要求。由于啟動(dòng)緩慢，相應(yīng)地延長了許多零部件，特別是密封件、軸承的壽命。有效地延長檢修維護(hù)周期，減少了檢修維護(hù)開支

36、，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)了軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長，對(duì)電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了啟動(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</p><p>　　第1.3節(jié) 論文

37、的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文主要通過對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡單、維護(hù)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(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。</p><p>　　本文研究的主要內(nèi)容如下：</p><p&g

38、t;　?。?）在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數(shù)，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法和閥門控制法作了比較，詳細(xì)分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。</p&g

39、t;<p>　　（4）就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。從用戶的需求入手確定設(shè)備的選型；詳細(xì)分析全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種有效狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換過程，討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)方法及程序執(zhí)行特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設(shè)計(jì)方案；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；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。</p>

40、<p>　?。?）通過計(jì)算機(jī)和PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文介紹了計(jì)算機(jī)和PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　第2章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及設(shè)計(jì)</p><p>　　第2.1節(jié) 系統(tǒng)的理論分析</p><p>　　2.1.1供水系統(tǒng)的基本特性</p

41、><p>　　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?（Q），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。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(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q（u）間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的

42、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。由圖2.1可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，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)。在這點(diǎn)，用戶的用水流量Q和供水系統(tǒng)的供水流量Q處于平衡狀態(tài)，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。[3]</p>

43、<p>　　圖2.1 供水系統(tǒng)的基本特性</p><p>　　2.1.2變頻調(diào)速原理</p><p>　　變頻恒壓供水系統(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。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

44、子供電頻率來 改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。</p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為：</p><p>　　S= （2·1）</p><p>　　異步電機(jī)同步速度為：</p><p>　　V= （2·2）<

45、/p><p><b>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：</b></p><p>　　n= （2·3）</p><p>　　其中：為定子電源頻率；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)。從式子（2·3）可知，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成

46、正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)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)械特性較硬的優(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。[4]因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中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)水泵電機(jī)的調(diào)速。</p><p>　　2.1.2水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理&

47、lt;/p><p>　　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。閥門控制祛是通過調(diào)節(jié)閥門開啟度來調(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，若閥門的開啟度在一段時(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

48、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)速控制閣。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。</p><p>　　圖 2.2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線</p><p>　　當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在E點(diǎn)，

49、流量為，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，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從上升到，運(yùn)行工況點(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：</p><p><b>　　（2·4）</b></p><p>　　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

50、為曲線，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：</p><p><b>　?。?·5）</b></p><p>　　可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（，D，F(xiàn)，）圍成的矩形面積，其值為：</p><p>　　=＝－＝ ?。?·6）</p><p>

51、;　　所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，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：</p><p>　??；； （2·7）</p><p>　　式中、、為變速前的流量、揚(yáng)程、功率，、、為變速后

52、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)速成正比，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。[5]</p><p>　　2.1.3變頻恒壓控制的理論模型</p><p>　　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

53、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2.3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

54、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。[6]</p><p>　　圖2.3 變頻恒壓控制原理圖</p><p>　　2

55、.1.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)字模型</p><p>　　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)

56、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：</p><p>　　G（S）= （2·8）&l

57、t;/p><p>　　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。[7]</p><p>　　第2.2節(jié) 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程選擇</p><p>　　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

58、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)的軟啟動(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，多方面綜合考慮后本文采用變頻器主電路+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。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

59、活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(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PC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。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)。</p><p>　　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

60、，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。</p><p>　　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?/p>

61、；各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖2.4所示。[8]</p><p>　　圖2.4 用水量變化類型</p><p>　　a）連續(xù)型（全流量變化型） b）連續(xù)型（高流量變化型）</p><p>　　c）連續(xù)型（低流量變化型） d）間歇型</p><p>　　本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中在早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流

62、量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。這種類型用水需求在較長時(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％。[9]水泵變頻軟啟動(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。</p><p>　　當(dāng)用水呈低流量變化型的特點(diǎn)時(shí)，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)。在全流量范圍內(nèi)

63、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，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。</p><p>　　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，而且其好處也是多方面的。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，小泵啟動(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

64、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。</p><p>　　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PLC通過編程來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　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

65、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。</p><p>　　綜上所述，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：</p><p>　?。?）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)行變頻

66、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

67、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。</p><p>　?。?）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

68、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、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。</p><p>　?。?/p>

69、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

70、轉(zhuǎn)速控制。</p><p>　　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

71、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。[10]</p><p>　　作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)

72、動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。</p><p>　　現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說明如下：</p><p>　?。?）系統(tǒng)通電，在接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵M1，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制M1的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。</p>

73、<p>　?。?）當(dāng)用水量增加，水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少，水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。</p><p>　?。?）當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件（在下文有詳細(xì)的闡述）時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將

74、電機(jī)M1切換至工頻電網(wǎng)供電后，M1恒速運(yùn)行，同時(shí)使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。</p><p>　?。?）當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻

75、率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件（在下文有詳細(xì)的闡述）時(shí)，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行的水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。</p><p>　?。?）當(dāng)系統(tǒng)中只有1臺(tái)調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運(yùn)行頻率已降至下限頻率，且滿足關(guān)泵條件時(shí)，關(guān)閉調(diào)速泵。系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補(bǔ)水的狀

76、態(tài)。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時(shí)后開啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力（設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差），則關(guān)掉附屬小泵。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同2、3、4步。</p><p>　　2.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)過程中水泵切換條件</p>

77、;<p>　　在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)調(diào)速水泵和工頻運(yùn)行水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻運(yùn)行水泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?</p><p

78、>　　盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那

79、樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0Hz。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率不可能降傳到0Hz。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)

80、際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0Hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀</p><p>　　從上面的分析可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)上限頻率，而實(shí)際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時(shí)，存在的實(shí)際供水壓力差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實(shí)際供水壓力也不會(huì)提高。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)下降到下限頻率，實(shí)際的供水壓力卻仍高于設(shè)定的供水壓力時(shí)，存在的壓力差不會(huì)使輸

81、出頻率繼續(xù)降低，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)降低。所以，選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為水泵機(jī)組切換的時(shí)機(jī)是合理的，但要做以下考慮。</p><p>　　判別條件可簡寫如下：</p><p><b>　?。?·9）</b></p><p><b>　?。?·10）</b></p><p>　　式中：：

82、上限頻率 ：下限頻率</p><p>　　：設(shè)定壓力 ：反饋壓力</p><p>　　對(duì)于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況：輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。[12]在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。并且使新投入運(yùn)行的機(jī)組幾乎在變頻器輸出

83、頻率的下限運(yùn)行，對(duì)供水作用很小。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。假設(shè)這一段時(shí)間內(nèi)用戶的用水狀況保持不變（其實(shí)在一個(gè)穩(wěn)定的供水時(shí)段可以看作這種情況），那么按照要求停掉了一個(gè)工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組之后，機(jī)組的整體運(yùn)行情況與增加運(yùn)行機(jī)組之前完全相同。可以預(yù)見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)

84、組將一直這樣投入專切出專再投入專再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。同時(shí)，在切換過程和變頻器從啟動(dòng)到穩(wěn)定的過程中，系統(tǒng)的供水情況是不穩(wěn)定的，實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而</p><p>　?。ㄉ舷揞l率） （下限頻率）</p><p>　　圖2

85、.5 用于壓力判斷的回滯環(huán)</p><p>　　如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力小的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組增加；如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實(shí)際的供水壓力比設(shè)定壓力大的時(shí)候才允許進(jìn)行機(jī)組的增加?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)?/p>

86、有兩種情況可能使判別條件的成立有問題：實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機(jī)組切換的誤操作。這兩種情況有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即它們維持的時(shí)間短，只能夠使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)瞬間滿足。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在判別條件中加入延時(shí)的判斷就顯得尤為必要了。</p><p>　　所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別

87、條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間，比如一、兩分鐘，如果在這段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。經(jīng)過以上的分析，將實(shí)際的機(jī)組切換的條件優(yōu)化為：</p><p><b>　　增泵條件： </b&g

88、t;</p><p><b>　　減泵條件： </b></p><p>　　第3章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　第3.1節(jié) 系統(tǒng)主要配置</p><p>　　3.1.1PLC及擴(kuò)展模塊選型</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)的電器總框圖</p><p&

89、gt;　　由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括：</p><p>　　（1）PLC及擴(kuò)張模塊</p><p>　?。?）水泵機(jī)組、變頻器</p><p>　?。?）壓力變送器及數(shù)顯儀</p><p>　　PLC是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入信號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交

90、換。因此我們?cè)谶x擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素，以日本三菱PLC為例，該P(yáng)LC有FX、A、Q三大系列，在FX系列中又有FX-1S、FX-1N和FX-2N三種型號(hào)。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、輸入／輸出接口模塊類型等方面來選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FX2N-16EYR

91、。三菱FX2N-32MR的主要參數(shù)為：</p><p>　　I／O點(diǎn)數(shù)： 16／16；</p><p>　　基本指令： 27條；</p><p>　　功能指令： 298條；</p><p>　　基本指令執(zhí)行時(shí)間： 0.08微秒；</p><p>　　用戶程序步驟： 4K；</p><p><

92、;b>　　通信功能： 強(qiáng)；</b></p><p>　　輸出形式： 繼電型；</p><p>　　輸出能力： 2A／點(diǎn)；</p><p>　　擴(kuò)展輸出模塊FX2N-16EYR有16個(gè)輸出點(diǎn)。</p><p>　　FX2N系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列。由于FX2N系列具備如下特點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更

93、快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以在實(shí)際自動(dòng)化工程應(yīng)用中提供最大的靈活性和控制能力。[13]</p><p>　　3.1.2變頻器的選擇及接線</p><p>　　變頻器作為系統(tǒng)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)外的供水量輸送。要清楚水泵電機(jī)的功率及額定電流，用變頻器控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在本文研究設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)中，數(shù)字PID控制輸出的數(shù)

94、字量沒有經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，而是直接將數(shù)字量通過通訊力式傳送給變頻器，因此在選擇變頻器時(shí)，首先要選擇與電機(jī)額定功率、額定電流相匹配的通用變頻器，同時(shí)還考慮變頻器的通訊功能。變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，變頻器容量（KVA）應(yīng)該滿足下列式子：</p><p><b>　?。?·1）</b></p><p><b>　　（3·2）</b><

95、/p><p><b>　?。?·3） </b></p><p>　　式中，--負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的輸出功率；</p><p>　　--電動(dòng)機(jī)的效率（通常在0.85以上）；</p><p>　　--電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常在0.8以上）；</p><p>　　--電動(dòng)機(jī)電壓（V）；</p&

96、gt;<p>　　--電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流（A）；</p><p>　　K--電流波形的修正系數(shù)，對(duì)PWM方式，取1.0-1.05；</p><p>　　--變頻器的額定容量（KVA）；</p><p>　　--變頻器的額定電流（A）</p><p>　　選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的

97、量。</p><p>　　根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：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控制變頻器以及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(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器。根據(jù)系統(tǒng)的需要，選用專為泵負(fù)載設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)恒壓供。</

98、p><p><b>　　其性能特點(diǎn)如下：</b></p><p><b>　?。?）功能特點(diǎn)</b></p><p>　　風(fēng)機(jī) 、泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專用型變頻器；可選用自動(dòng)和手動(dòng)的轉(zhuǎn)矩提升功能，保證最佳的啟動(dòng)；加速時(shí)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

99、倒塌；直流制動(dòng)功能，制動(dòng)時(shí)間在0-30秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動(dòng)，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。</p><p><b>　?。?）主要參數(shù)</b></p><p>　　額定容量 ： 85（kvA）；</p><p>　　額定輸出電流 ： 112A；</p>&

100、lt;p>　　過載容量 ： 110%額定輸出電流/分鐘；</p><p>　　啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ：50%以上</p><p>　　適配電機(jī)容量 ：55KW</p><p><b>　　（3）I/O特性</b></p><p>　　9個(gè)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(dòng)電位計(jì)、點(diǎn)動(dòng)）；四路

101、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(cè)、過載、運(yùn)行等多種提示；RS-485接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。</p><p><b>　?。?）保護(hù)功能</b></p><p>　　具有過電壓/欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、PTC熱敏電阻保護(hù)、電機(jī)鎖死保護(hù)、缺相保護(hù)、電涌保護(hù)、失速保護(hù)、CPU/存貯器異常保護(hù)等。</p><p>　　普

102、通功能型U/f控制方式的富士變頻器FRN55PllS-4CX為富士變頻器低噪聲高性能多功能變頻器，其接線及功能設(shè)定情況如表3.1所示。[14]</p><p>　　表3.1 變頻器接線功能設(shè)置</p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置說明：</b></p><p>　?。?）最高頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定

103、轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，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。</p><p>　?。?）上限頻率：由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，在50Hz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。</p><p>　　（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

104、），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。</p><p>　　（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0Hz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。</p><p>　　3.1.3水泵機(jī)組的選擇</p><p>　　水泵機(jī)組的

105、選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大小，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，型號(hào)及參數(shù)見表3.2。</p><p>　　表3.2 水泵機(jī)組型號(hào)及參數(shù)</p>