1、供水自動控制系統(tǒng)的設(shè)計 引 言 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷 提高。衡量供水質(zhì)量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定于某 些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，如當發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供 應(yīng)，不能迅速滅火，會造成更大的經(jīng)濟損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經(jīng)常 變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且集中反映在供水 的壓力上：用水多而供水少，則供水壓力低；用水少而供水多，則供水壓力大。 保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的 產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機運行的安全可靠性。 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的

2、節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機、水泵、 空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動控制 技術(shù)相結(jié)合，在中小型供水企業(yè)實現(xiàn)恒壓供水，不僅能達到比較明顯的節(jié)能效 果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運行.變頻 恒 水 壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進 行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理 與監(jiān)控;同時可達到良好的節(jié)能性，提高供水效率。 變頻控制技術(shù)的進步不僅僅是異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固、易于維護等優(yōu) 點，更主要的是采用變頻調(diào)速技術(shù)的異步電動機的機械特性達到了直流電動機 調(diào)壓調(diào)速的特性。

3、由于計算機技術(shù)的介入，使得變頻器具有豐富的功能和方便 好用的特點，因此人們才有可能按照實際要求，自行構(gòu)成一個適用和可靠的調(diào) 速系統(tǒng)。 。所以設(shè)計基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及 人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 一 恒壓供水的現(xiàn)狀與發(fā)展 1.1 傳統(tǒng)供水方式 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、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng) 等方式，其優(yōu)、缺點如下1： (1) 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 增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常

4、處于 滿負荷運行，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。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式 調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護工 作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段 工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。 (3) 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，維護不方便，水泵電 機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻

5、繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高 層建筑。 (4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻， 效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu) 簡單明了，維修方便。 (5) 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 4 種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠 性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效 率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng) 中的用水。 1.2 恒壓供水方式 目前的供水方式朝向高效節(jié)能、

6、自動可靠的方向發(fā)展，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，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、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設(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、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖 擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗2。 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、壓頻比控制及各種

7、保護功能。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 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。 1.3 變頻供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)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 SAMC 公司，就推出了恒壓供水基

8、板，備有“變頻泵固定方式” ， “變頻泵 循環(huán)方式”兩種模式。9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(shè)備雖微化了電路結(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

9、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(yīng)的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應(yīng)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綜合技 術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。成都希望集團(森蘭變頻器)也 推出恒壓供水專用變頻器(5.5kW-22kW)，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)。9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

10、求 不高的供水場所。 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)計中，對于 能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的 電磁兼容性(EMC)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有 待于進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)實踐。 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展,在國內(nèi)外，專 門針對供水的變頻器集成化越來越高，很多專用供水變頻器集成了 PLC 或 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時維護操作也越來越簡明顯偏高， 維護成本也高于國內(nèi)產(chǎn)品。 二 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 2.1

11、 控制方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組 以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水 泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水 泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè) 計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇8： (1) 有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。 它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定

12、和壓力反饋值的顯示 方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，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)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的 擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用 于要求不高的小容量場合。 (2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+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，具有較高的性價比， 但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同 時變頻器在運行時，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)的可靠性。該系統(tǒng)適

13、用于某一特定領(lǐng)域 的小容量的變頻恒壓供水中。 (3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+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) 進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；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)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存貯器 中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、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合， 并且與供水機組的容量大小無關(guān)。

14、通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于 本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達 到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 用戶 M 壓力變送器 變頻器 PLC (含PID) 液位變送器 水池 水泵機組 管網(wǎng)壓力信號 報警信號 水池水位信號 圖 2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部 分，具體為： (l)

15、 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)， 其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行 變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓 恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到 工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。 (2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信 號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它 是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓

16、力和下限壓力用電 接點壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信 號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控 制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感 器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常， 該信號為開關(guān)量信號。 (3) 控制機構(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)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控 制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集， 對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，

17、得出對執(zhí)行 機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵機組)進行控制； 變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變 調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，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)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵， 當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機 組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻 去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當 這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到

18、用水要求，需要增加水泵機組 時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵 在系統(tǒng)運行前可以選擇9，本設(shè)計中采用前者。 作為一個控制系統(tǒng)，報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)的運行，防止因電機 過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要 對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以 免造成不必要的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)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(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)， 也可以是一個時間分

19、段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。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(shè)定的供水 壓力上10。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： PIDD/A變頻器 接觸 器 水泵 機組 管道 壓力變送器A/D 給定 管網(wǎng)壓力 PLC 圖 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點 的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號，此檢測信號是 實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換 模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行 PID 運算，再將運 算后

20、的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控 制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的供水流量，最 終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下: (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖 動變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水 量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作在調(diào)速運行狀 態(tài)。 (2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器

21、反饋的水壓信號減小，偏差變 大，PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供 水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓 增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，若此時 用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳 細闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制下自動投入水 泵 M2(變速運行)，同時變頻泵 M1 做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)， 直到水壓達到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，

22、將繼 續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3 投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻 率 50Hz 時，壓力仍未達到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 (4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng) 的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值。當用水量繼續(xù)下 降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3 關(guān)掉。 2.4 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須 從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法

23、兩種。供 水系統(tǒng)中對水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實現(xiàn)。由于水泵的軸功率與 轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實現(xiàn)壓力或流量的自動控 制，同時可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水 塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。 (1) 閥門控制法：通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。 閥門控制法的實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻 力大小來強行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時，管阻特性將隨閥門 開度的改變而改變，但是揚程特性不變。 如圖所示，設(shè)用戶所需流量 QX 為額定流量的 60%(即 QX=60%QN)。當通 過關(guān)小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改

24、變?yōu)榍€，而揚程特性則仍為曲線， 故供水系統(tǒng)的工作點移至 E 點，這時，流量減小為 QE(=Qx)；揚程增加為 HE；供水功率 PC 與面積 ODEJ 成正比。 J K O G E N C Q H 閥門關(guān)小 閥門全開 轉(zhuǎn)速下降 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 QEQN DA 圖 2.3 調(diào)節(jié)流量的方法與比較 (2) 恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不 變，也稱為轉(zhuǎn)速控制法。 轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求。 當水泵的餓轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性不變。 以用戶所需流量等于 60%Qn 為例，當通過降低轉(zhuǎn)速使得 Qx=60%Qn 時， 揚程特性仍

25、為曲線，故工作點移向 C 點。這時流量減小為 QE（=Qx） ，揚程 減小為 Hc，供水功率 PC 與面積 0DCK 成正比。 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量 (Qx用水需求 QU，則壓力上升（P） ； 如：供水能力 QG用水需求 QU，則壓力上升（P） ； 如：供水能力 QG=用水需求 QU，則壓力上升（P 不變） 。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。 從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng) 中某處的壓力的恒定，也就保證了使該處的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，這就

26、是恒壓供水所要達到的目的78。 三 控制系統(tǒng)硬件選擇 3.1 系統(tǒng)主要硬件選擇 PLC：FXos20MR（三菱） 變頻器：CIMRG7(安川) 壓力傳感器：TGK（意大利） PID 調(diào)節(jié)儀：JC33A（日本神港） 其他低壓配件選擇施耐德品牌為主 3.2 可編程控制器的特點(FXos20MR) 1可靠性高。由于可靠性是用戶選用的首位依據(jù)，因此，每個 PLC 生產(chǎn)廠 都將可靠性作為第一指標而加以研制，以單片機為核心，在硬件和軟件上采取 大量的抗干擾措施，使 PLC 的平均無故障時間達到 30 萬小時以上，使用壽命更 長。 2控制功能強。PLC 具有邏輯判斷、計數(shù)、定時、步進、跳轉(zhuǎn)、移位、記 憶、四

27、則運算和數(shù)據(jù)傳送等功能，可以實現(xiàn)順序控制、邏輯控制、位置控制和 過程控制等。 3編程方便，易于使用。PLC 采用與繼電器電路相似的梯形圖編程，比較 直觀，易懂易編，深受電氣技術(shù)人員和電工的歡迎，容易推廣應(yīng)用。PLC 可取 代原繼電器控制系統(tǒng)，有利于對老設(shè)備的技術(shù)改造。 4使用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，抗干擾能力強。 5具有各種接口，與外部設(shè)備連接非常方便。 6采用積木式結(jié)構(gòu)或模塊式結(jié)構(gòu)，具有較大的靈活性和可擴展性，擴展靈 活方便。 7維修方便。PLC 上有 I/O 指示燈（LED） ，哪個 I/O 元件有故障，一目了 然。 8可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求或運行情況，隨時對程序進行在線修改，不用更改 硬接線，靈活

28、性大，適應(yīng)性強。 3.3 變頻器的原理與特性(CIMRG7) 變頻器的功能是將頻率固定的(通常為 50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào) 的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的 是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。 變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流 環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相 控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。 相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容 Cd 輸出直流 電壓 Vd,逆變器將直流 Ud 變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。 由于中間直流環(huán)節(jié)是

29、 Cd 低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。 電流型交一直一交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的 儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流 源，故稱電流型。 當在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中，當頻率 f 下降時，定子繞組 的反電動勢 E 有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加，故轉(zhuǎn)子 段電流不變，根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通 m 增大。 m 增加將導(dǎo)致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果， 因此希望 m 可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器 輸出電壓 Ul/f=const，則

30、磁通 m 可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓， 常用 VVVF 表示。怎樣實現(xiàn) VVVF 是變頻器必須解決的重要課題之一。 VVVF 實施的基本方法包括:脈幅調(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM)。 (1)脈幅調(diào)制(PAM) 實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM 需要同時 調(diào)節(jié)兩個部分:整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關(guān)系，故控制 電路比較復(fù)雜，因此比較少用。 (2)脈寬調(diào)制(PWM) 實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波， 每個脈沖的寬度為 t1，每個脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比 =tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值

31、和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改 變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變 壓的效果。PWM 只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與 PAM 相比控制電路簡化了許多， 因此在變頻調(diào)速中比較常用。 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電 動機的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的 結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 0 n =60f/p，其中 f 是電流頻率，P 是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對 數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的 轉(zhuǎn)速 1 n 必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速 0 n (即所謂的“異步， )。兩者之間的差異

32、可 由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率 s=( 0 n - 1 n )/ 0 n 根據(jù) 0 n =60f/p 可知，當頻率 f 連續(xù)可調(diào) 時，電動機的同步轉(zhuǎn)速 0 n 也連續(xù)可調(diào)，而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 1 n ，總是比同步 轉(zhuǎn)速略低一點，所以當 0 n 連續(xù)可調(diào)時， 1 n 也是連續(xù)可調(diào)。 我們采用的變頻器是安川（YASKAWA）公司的 CIMRG7 異步電動機變頻器， 簡稱 CIMRG7。 CIMRG7 是一種用于三相異步電動機的變頻器，由 200 V 至 400 V 三相電源供電，功率范圍 0.3kW 至 300 kW。CIMRG7 設(shè)計用于工業(yè)或商用建 筑中的加熱、通風(fēng)以及空氣調(diào)節(jié) (HVAC) 方面

33、的現(xiàn)代化應(yīng)用場合。CIMRG7 通過 對能耗進行優(yōu)化可以降低運行成本，同時提高了用戶的舒適程度。大量的集成 化選件可讓它與電氣設(shè)備和復(fù)雜的控制系統(tǒng)進行適配和集成。變頻器在最初設(shè) 計中就已經(jīng)考慮了電磁兼容性的要求。 CIMRG7 的保護功能有: 使用 PTC 熱傳感器的電機和風(fēng)扇熱保護 連續(xù)運行中防過載和過電流的保護 通過頻率跳躍功能進行的對設(shè)備的機械保護 通過多重故障狀態(tài)管理和可配置警報進行的保護 圖 3.1 變頻器輸入輸出接線圖 變頻器在接線時，必須接地。動力電纜和設(shè)備中的弱電信號（如 PLC 信號 等）電路要保持分隔，以免干擾。 變頻器的接線方式如上圖所示 輸入方面，主電路的電源端子 L1

34、、L2、L3 通過線路帶漏電保護的斷路器連 接至 380V 的三相交流電源。對于壓力信號，則通過 AI1 或 AI2 口輸入。對所有 位于變頻器附近的或連接在同一電路上的專門電路如繼電器、接觸器、電磁閥、 熒光燈等均應(yīng)安裝干擾抑制器。 輸出方面，變頻器的輸出端子（U，V，W）按正確的相序連接至交流接觸器 的輸入電源端子上。如果電機旋轉(zhuǎn)方向不對，則說明連接相序有錯，則改變 U、V、W 中的任意兩相的接線。AO1 可接電動機頻率輸出。 在本系統(tǒng)中的應(yīng)用： 本系統(tǒng)中主要應(yīng)用其進行變頻調(diào)速，主要是根據(jù) PID 調(diào)節(jié)儀計算后的輸出 值作為輸入來控制電機的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)中對變頻器的一些參數(shù)進行設(shè)定，通過 設(shè)

35、定的參數(shù)完成一些功能。有頻率的上限和下限及其電機的參數(shù)設(shè)定，加減速 的時間和外部端子的的功能等。具體的改動的參數(shù)如下，其它的參數(shù)以出廠值 為準： 參數(shù)名稱 出 廠值 設(shè) 定值 c1-10 加減速時間的設(shè)定單位 130 c1-11 加減速時間的切換頻率 030 d2-01 頻率指令上限值 100100 d2-02 頻率指令下限值 050 E1-01 輸入電壓設(shè)定 200380 E1-03 選擇 V/F 曲線 F5 E1-04 最高輸出頻率 6050 E1-05 最大電壓 200380 E1-06 基頻 6050 E2-01 電機額定電流 1.9202 H2-01 選擇端子 P1 的功能 10 H

36、2-02 選擇端子 P2 的功能 2E H4-05 多功能模擬量輸出 2 端子 FM 增 益 0.50.8 3.4 PID 調(diào)節(jié)原理 僅用 P 動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I 動作的 P+I 控制。用 PI 控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等 引起的偏差。但是，I 動作過強時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對有積分元件 的負載系統(tǒng)可以單獨使用 P 動作控制。 對于 PD 控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨 D 動作還要大的操作量，以此 抑制偏差的增加。偏差小時，P 動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負 載場合，僅 P 動作控制，有時由于此積分元件的作用，系

37、統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場 合，為使 P 動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD 控制。換言之，該種控制方式 適用于過程本身沒有制動作用的負載。 利用 I 動作消除偏差作用和用 D 動作抑制振蕩作用。在結(jié)合 P 動作就構(gòu)成 了 PID 控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用 PID 控制較其它組合控制效果 要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用 于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負載系統(tǒng)（即實時性要求不高，工業(yè) 上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID 調(diào)節(jié)）效果比較 好。 PID 調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是 0 1 t cd i de UK eedtT Tdt

38、或 0 11 t d i de UeedtT Tdt 式中 c K ：調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i T ：調(diào)節(jié)器的積分時間 d T ：調(diào)節(jié)器的微分時間 ：比例帶，它是慣用增益的倒數(shù) e : 調(diào)節(jié)器的偏差信號 U ：輸出 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是 11 ( )1 cd i G sT s Ts 不難看出，由上式表示的調(diào)節(jié)器動作規(guī)律在物理上是不能實現(xiàn)的。工業(yè)上 實際采用的 PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般為 1 1 ( ) 1 1 d i cc d iid T s T s G sK T s K T sK 其中 c K c FK ； i T i FT ； d d T T F 式中帶的量是調(diào)節(jié)器參數(shù)的實際值，不帶

39、的為參數(shù)的刻度值。F 成為相 互干擾系數(shù)： i K 為積分增益； d K 為微分增益。 四 軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的程序開發(fā)主要是 PLC 的程序開發(fā)，我們采用的是根據(jù)系統(tǒng)的控制 流程和控制目標，在計算機上先編輯好 PLC 軟件，然后傳給 PLC 的方法，所用 軟件是 FX-OM20 版本。這是整個供水系統(tǒng)軟件開發(fā)的重點，系統(tǒng)的重要功能實 現(xiàn)和順序控制都依靠它，它的開發(fā)好壞直接影響對了整個控制系統(tǒng)的質(zhì)量好壞 和功能實現(xiàn)，下面就詳細敘述。 4.1 PLC 程序 可編程控制器是按照用戶的要求編寫程序來進行工作的。程序的表達方式 基本有四種：梯形圖、指令表、邏輯功能圖和高級語言。絕大多數(shù) PLC 是使用

40、梯形圖和指令表編程。梯形圖是一種圖形語言，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，而且加入了許多功能強而又使 用靈活的指令，將微機的特點結(jié)合進去，使得編程容易。梯形圖比較形象、直 觀，對于熟悉繼電接觸器控制系統(tǒng)的人來說，也容易接受，世界上的各生產(chǎn)廠 家都把梯形圖作為第一用戶編程語言。本系統(tǒng)所使用的方法就是將控制任務(wù)用 梯形圖編程實現(xiàn)，離線灌入 PLC，攜帶至現(xiàn)場實現(xiàn)其現(xiàn)場功能，下面我們開始 介紹梯形圖編程的基本步驟和概念。 4.2 基本步驟 編寫程序可分為幾個基本步驟： 首先列出所有 I/O 設(shè)備和分配給他們的 I/O 點的目錄，并且寫好分配給每 一個 I/O 設(shè)

41、備 I/O 位的表格。 確定工作位用什么字，寫出使用它們時能分配它們的表格。 準備一張 TC 編號和跳轉(zhuǎn)編號的表格。一張 TC 號程序中僅能定義一次；跳 轉(zhuǎn)號 0199 在每個程序也只能使用一次。 畫梯形圖。 將程序輸入到 CPU 單元。 檢查程序有無語法錯誤并更正錯誤。 運行改程序以檢查是否存在運行錯誤并更正錯誤。 當整個控制系統(tǒng)安裝好并準備使用時，運行該程序并按要求仔細調(diào)試。 4.3 程序中使用的繼電器 電控系統(tǒng)的邏輯功能實際上就是接收各種輸入信號并經(jīng)過處理后發(fā)出相應(yīng) 的輸出信號。本系統(tǒng)經(jīng)總體規(guī)劃后，在程序中使用了如下一些繼電器。 1、輸入輸出繼電器 輸入輸出繼電器區(qū)是 PLC 與外部設(shè)備

42、進行數(shù)據(jù)傳送的窗口，它通過按鈕、 轉(zhuǎn)換開關(guān)、傳感器等輸入裝置，將指令送給 PLC，經(jīng)內(nèi)部處理后，把程序的控 制結(jié)果輸出到繼電器、電磁線圈、顯示器、接觸器等。輸入繼電器的識別符號 為 X，輸出為 Y。下面是本系統(tǒng)中的具體設(shè)置： 名稱 編程地址 變頻器零速信號 X00 頻率到達信號 X01 手動/自動 X02 自動啟動 X03 自動停止 X04 1#泵變頻運行 X05 2#泵變頻運行 Y06 故障信號輸入 Y07 2定時器區(qū) 定時器由到時位區(qū)、定時器現(xiàn)在值區(qū)、定時器設(shè)定值區(qū)（可以為恒值或是 任意的存儲器上）三部分組成。當定時器現(xiàn)在值到達設(shè)定值時，定時器到時位 區(qū) ON。它具有一下特點： 定時器現(xiàn)在

43、值區(qū)在 PLC 電源 OFF 時或停止 RUN 時清 0； 定時器輸入接點 OFF 時，現(xiàn)在值置零，定時器接點也 OFF； 可以向定時器現(xiàn)在值區(qū)、定時器設(shè)定值區(qū)預(yù)置數(shù)據(jù)； 定時器精度：2 掃描時間1 掃描時間。 4.4 程序流程 本程序是按照 PLC 應(yīng)用的步驟開發(fā)完成的。程序控制的目的是實現(xiàn)整個供 水系統(tǒng)的恒壓運行，因此必須控制 2 臺水泵的順序投入與切除，使得供水量變 化與用戶用水量變化基本同步，以此保證水網(wǎng)壓力恒定，同時要保證系統(tǒng)的安 全性和可靠性。具體原理前面己經(jīng)介紹的很詳細。 程序流程基本上按照下圖系統(tǒng)工作流程圖設(shè)計。 開始 變頻器故障？ 泵增開模塊 超壓模塊欠壓模塊 故障處理模塊 輸出模塊 工頻恒壓模塊 PLC 程序流程圖 程序開始后，先初始化，給數(shù)據(jù)寄存器賦停機（開機）延遲時間值、管網(wǎng) 水壓。檢查變頻器狀態(tài)，運行方式，否則進入全自動變頻恒壓控制方式。程序 沿著泵增開模塊、超壓模塊、欠壓模塊、故障處理模塊和輸出模塊依次掃描。 應(yīng)該說明的是 P