1恒壓供水系統(tǒng)PLC設(shè)計(jì)摘要該畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)保、節(jié)能、自動(dòng)補(bǔ)壓型給水設(shè)備作了介紹。從節(jié)能科技的實(shí)踐出發(fā)，闡述了變頻調(diào)速技術(shù)在高樓給水設(shè)備中的應(yīng)用。以PLC電路控制方式，介紹了智能水壓控制系統(tǒng)的工作原理及PLC控制系統(tǒng)。在分析水壓控制的工作流程的基礎(chǔ)上，給出了PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。智能水壓控制系統(tǒng)的基本控制策略是采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制,完成供水壓力的恒定控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入變頻器運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。通過該項(xiàng)目的科研與應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水資源、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本，而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。關(guān)鍵字恒壓供水，PID控制，PLC,變頻器2ABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNFORENVIRONMENTALPROTECTION,ENERGYSAVING,AUTOMATICPRESSURETYPEWATEREQUIPMENTAREINTRODUCEDSTARTINGFROMTHEPRACTICEOFENERGYSAVINGTECHNOLOGY,EXPOUNDSTHEVARIABLEFREQUENCYREGULATINGSPEEDTECHNOLOGYAPPLICATIONINBUILDINGWATERSUPPLYEQUIPMENTWITHPLCCONTROLCIRCUITS,INTRODUCESTHEWORKINGPRINCIPLEOFHYDRAULICCONTROLSYSTEMANDPLCCONTROLSYSTEMONTHEANALYSISOFTHEWORKINGPROCESSOFTHEHYDRAULICCONTROLBASEDONPLCCONTROLSYSTEM,PRESENTSTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNTHEHYDRAULICCONTROLSYSTEM,INTELLIGENTCONTROLSTRATEGYISTHEBASICMOTORSPEEDDEVICEWITHPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERPLCCONTROLSYSTEM,CONTROL,OPTIMIZINGTHECONSTANTPRESSUREWATERSUPPLYPIPEFLOWCONTROL,STABILIZETHESUPPLYPRESSUREVARIATIONANDSAVINGENERGYTHECONTROLSYSTEMISTHEMAINTARGETPUMPINGWATERPRESSURE,THEPRESSUREOFWATERSUPPLYSYSTEMSETVALUEANDPRACTICALVALUEOFTHEPRESSUREFEEDBACKCOMPAREDTHEPOORINPUT,PROCESSINGOPERATIONS,INVERTERCONTROLCOMMAND,CONTROLPUMPPOWERSTATIONSETSANDOPERATIONOFMOTORPUMPMOTORSPEED,SOASTOACHIEVESTABLESUPPLYPRESSUREINSETTINGTHEMANAGERONTHEPRESSUREVALUETHROUGHTHERESEARCHANDAPPLICATION,WECANNOTONLYSAVEWATERANDELECTRICITYTHEPRECIOUSRESOURCES,REDUCETHEPRODUCTIONCOST,REDUCETHEMAINTENANCEOFEQUIPMENT,REDUCEMAINTENANCECOST,ANDINCREASETHEPRODUCTIONSCHEDULINGOFWATERLEVELOFMANAGEMENT,REDUCELABORINTENSITY,EFFECTIVELYIMPROVETHEPRODUCTIVITYKEYWORDSTHECONSTANTPRESSUREWATERSUPPLY,PIDCONTROL,PLC,FREQUENCYCONVERTER34目錄摘要IABSTRAII第一章前言111設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的意義112PLC與PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀113本課題主要研究?jī)?nèi)容314本章小結(jié)3第二章系統(tǒng)的理論分析及方案的確定421恒壓供水系統(tǒng)的理論分析4211供水系統(tǒng)的基本特性4212機(jī)械循環(huán)液體管網(wǎng)的工作原理4213管網(wǎng)設(shè)定水壓的水力計(jì)算5214變頻調(diào)速水泵電機(jī)節(jié)能的原理6215變頻恒壓控制的理論模型8216變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型922變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定9221恒壓供水系統(tǒng)的控制流程9222恒壓供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析1123恒壓供水PID的研究12231PID控制及控制算法12232恒壓供水PID調(diào)節(jié)過程分析1424本章小結(jié)15第三章變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1631變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成1632變頻恒壓供水系統(tǒng)主要配置的選型17321水泵機(jī)組的選型17322PLC系統(tǒng)選型18323變頻器的選型19324壓力變送器的選型20533控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配2034系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)21341主電路圖21342控制電路圖22343PLC系統(tǒng)外部接線圖23344變頻器外部接線圖2535本章小結(jié)25第四章恒壓供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)2641系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)說明及流程圖26411主程序26412初始化子程序28413中斷子程序2842程序中使用的編程元件及其含義2943程序中關(guān)鍵程序段的梯形圖及程序仿真30431泵站泵組程序30432故障診斷和報(bào)警輸出程序4444本章小結(jié)50第五章結(jié)論51致謝52參考文獻(xiàn)53附錄546第一章前言11設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)的意義常規(guī)水泵大部分時(shí)間均在額定負(fù)荷下運(yùn)行，特別是自來水廠和居民區(qū)生活供水，其設(shè)計(jì)均按最大用水負(fù)荷選擇水泵，而每天24H用水負(fù)荷變化很大，在夜間用水量更少，采用變頻恒壓供水設(shè)備，可根據(jù)用水量的大小變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時(shí)確保供水壓力恒定，可節(jié)約大量能源，延長設(shè)備使用壽命。本控制系統(tǒng)將PLC、變頻器、相應(yīng)的壓力傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡(jiǎn)化了小區(qū)在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等方面的工作量。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生活的需要，提高了整個(gè)小區(qū)的整體管理水平。由于小區(qū)高樓供水的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值。當(dāng)有火警或火災(zāi)信號(hào)到來時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換到火災(zāi)狀態(tài)；便于靈活配置常規(guī)泵、消防泵及其他功能泵，便于實(shí)現(xiàn)供水泵房全面自動(dòng)化；工作泵與備用泵不固定，可自動(dòng)定時(shí)輪換，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L期不用時(shí)發(fā)生的銹死現(xiàn)象；如果有需要可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制，便于實(shí)現(xiàn)樓宇自動(dòng)化管理。變頻調(diào)速技術(shù)用于民用消防給水系統(tǒng)可以依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足民用和消防用水要求。不論是設(shè)備的投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。12PLC與PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀在PLC問世之前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。繼電器控制系統(tǒng)有著十分明顯的缺點(diǎn)體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運(yùn)行速度慢、適應(yīng)性差，尤其當(dāng)生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時(shí)，就必須重新設(shè)計(jì)、重新安裝，造成時(shí)間和資金的嚴(yán)重浪費(fèi)。為了改變這一現(xiàn)狀，1968年美國最大的汽車制造商企業(yè)通用汽車公司（GM），為了適應(yīng)汽車型號(hào)不斷更新的需求，一再激烈競(jìng)爭(zhēng)的汽車工業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，特?cái)M定了十項(xiàng)公開招標(biāo)的技術(shù)要求。根據(jù)招標(biāo)要求，1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出世界上第一臺(tái)7PLC（PDP14型），并在通用汽車公司自動(dòng)裝配線上試用，獲得了成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時(shí)代。PLC的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，這些高新技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了PLC的發(fā)展，而PLC的發(fā)展又對(duì)這些高新技術(shù)提出了更高、更新的要求，促進(jìn)了它們的發(fā)展1。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，計(jì)算機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化的要求越來越高，種類繁多的控制設(shè)備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種要求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時(shí)，當(dāng)工業(yè)被控對(duì)象一旦有變動(dòng)，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個(gè)控制項(xiàng)目的不同而使重復(fù)使用率很底，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時(shí)，倘若原來的編程人員因工作變動(dòng)而離去，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因而它能夠很好地解決上述工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。雖然PLC只有30多年的歷史，但其發(fā)展勢(shì)頭迅猛，目前PLC是當(dāng)今增長速度最快的工業(yè)控制器。PLC將向兩個(gè)方向發(fā)展，一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一個(gè)方向向著小型化的方向發(fā)展。其中，大型化向著大存儲(chǔ)容量、高速度、高性能、增加I/O點(diǎn)數(shù)方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在（1）增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信功能。（2）發(fā)展智能模塊。（3）外部故障診斷功能。（4）編程語言、編程工具標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)化。PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適時(shí)用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時(shí)變不確定性、難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制其不能達(dá)到理想的控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。8針對(duì)這些問題，長期以來，人們一直在尋找PID控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指標(biāo)的控制要求。隨著微處理器的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實(shí)際應(yīng)用，這種設(shè)想已變成了現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，隨著現(xiàn)代控制理論諸如智能控制、自適應(yīng)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等研究和應(yīng)用的發(fā)展與深入，為控制復(fù)雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了新途徑。近年來，出現(xiàn)了許多新型PID控制器，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象，其控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)PID控制。13本課題主要研究?jī)?nèi)容在恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速、改變水泵出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力和能源的消耗。具體而言，論文包括以下內(nèi)容（1）論文在對(duì)課題進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法。（2）分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型與近似的數(shù)學(xué)模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制流程及工作原理；分析了在恒壓供水系統(tǒng)中水泵切換的條件。（3）論文就變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和研究，確定合適的設(shè)備選型；分析全自動(dòng)恒壓供水運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種工況和轉(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；介紹PID調(diào)節(jié)原理，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。14本章小結(jié)本章對(duì)本課題研究的方向及主要內(nèi)容做了簡(jiǎn)單闡述，同時(shí)，對(duì)PLC及PID的發(fā)展概況和它們?cè)谖磥淼膽?yīng)用做了展望。9第二章系統(tǒng)的理論分析及方案的確定21恒壓供水系統(tǒng)的理論分析211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)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤岬?，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），如圖31所示。由圖31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QU之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤岬?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系HF（QU）。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21圖可知，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，管阻特性多反映的是揚(yáng)程H與供水流量QG之間的關(guān)系HF（QG）。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)，即圖21中的A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量QU和供水系統(tǒng)的供水流量QG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6。圖21供水系統(tǒng)的基本特性6212機(jī)械循環(huán)液體管網(wǎng)的工作原理10機(jī)械循環(huán)液體管網(wǎng)與重力循環(huán)液體管網(wǎng)的主要區(qū)別是設(shè)置了循環(huán)水泵，靠水泵動(dòng)力克服循環(huán)液體流動(dòng)阻力，維持循環(huán)。機(jī)械循環(huán)流動(dòng)的能量方程如式（21）所以。HH1GP（H2H1）（21）式中H水泵揚(yáng)程，KPA；H1管網(wǎng)流動(dòng)阻力，KPA；P管內(nèi)液體密度，KG/M3；H2管網(wǎng)出口（水面）標(biāo)高，M；H1管網(wǎng)進(jìn)口（水面）標(biāo)高，M。式（21）說明由水泵動(dòng)力克服重力和循環(huán)阻力的作用，維持用戶用水需求6。213管網(wǎng)設(shè)定水壓的水力計(jì)算給水壓力計(jì)算，供水系統(tǒng)的用水規(guī)模即是用戶的用水量，決定了用戶正常用水的給定壓力。對(duì)于普通生活用水用戶，根據(jù)衛(wèi)生器具和用水設(shè)備用途的要求而規(guī)定的其用水裝置時(shí)間的出水量為額定量。各種配水裝置為克服給水配件水阻、沖擊及流速變化等阻力，而放出額定流量所需的最小靜水壓稱為流出水頭。要滿足建筑內(nèi)給水系統(tǒng)各配水點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)使用所需的水量，給水系統(tǒng)的水壓滿足用水量需求的流出水頭，其計(jì)算公式如式（22）所示6。HH1H2H3H4（22）式中H建筑內(nèi)給水系統(tǒng)所需的水壓，KPA；H1引入管起點(diǎn)至配水最不利點(diǎn)位置高度所需的靜水壓，KPA；H2引入管起點(diǎn)至配水最不利點(diǎn)給水管路的沿程與局部水頭損失，KPA；H3水流通過水表的水頭損失，KPA；H4配水最不利點(diǎn)所需的流出水頭，KPA。其中H1和H4為固定水壓，由建筑物的實(shí)際情況所定；H2和H3為給水管失壓力。因此得到給水管網(wǎng)的特性曲線。計(jì)算公式如式（23）所示。HH0SQ2（23）式中H0H1和H4之和，KPA；S綜合反映管網(wǎng)阻力特性的系數(shù)，KPA/（M3/H）2；Q管網(wǎng)的實(shí)際流量，M3/H。居民住宅生活用水定額標(biāo)準(zhǔn)及小時(shí)變化系數(shù)，見表21。11表21住宅生活用水定額及小時(shí)變化系數(shù)住宅類別和衛(wèi)生器具設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)每人每日生活用水定額X（最高日）/L小時(shí)變化系數(shù)B有大便器、洗滌盆，無沐浴設(shè)備851503025有大便器、洗滌盆和沐浴設(shè)備1302202823普通住宅有大便器、洗滌盆、沐浴設(shè)備和熱水供應(yīng)1703002520高級(jí)住宅和別墅3004002318根據(jù)表21，一般用戶的用水定額，可通過式（24）計(jì)算出給水管網(wǎng)的流量。Q（NMX/24）B（24）式中N為用戶數(shù)，戶；M每戶平均人數(shù)，人；X每戶用水定額，L；B小時(shí)變化系數(shù)。214變頻調(diào)速水泵電機(jī)節(jié)能的原理水泵額定運(yùn)行狀態(tài)下的輸出功率N為NRHQPQ（25）式中Q輸出流量，M3/S；P泵的水壓，MPA；H泵的揚(yáng)程，M；R重要系數(shù)，N/M3。根據(jù)泵的相似律，當(dāng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，輸出流量Q、泵的水壓P、揚(yáng)程H分別與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比例。出水泵QH運(yùn)行特性，如圖22所示。其中曲線1、2分別是轉(zhuǎn)速為N1、N2時(shí)的特性曲線，曲線3、4是轉(zhuǎn)速為N2時(shí)的等效管阻特性曲線，曲線5是轉(zhuǎn)速為N1時(shí)的等效管阻特性曲線。設(shè)水泵電機(jī)由電網(wǎng)直接供電驅(qū)動(dòng)，水泵運(yùn)行于A點(diǎn)，此時(shí)泵功率為，對(duì)應(yīng)于圖中的矩形面積為A11112O，若將水量減為，工作點(diǎn)將由A滑向B，水壓增為，功率則對(duì)應(yīng)矩形面積B1122O。若水泵改為變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，在小水量時(shí)降為低速N2，水泵可運(yùn)行于C點(diǎn)穩(wěn)定，22功率由面積C，節(jié)約的能耗對(duì)應(yīng)于陰影面積為312描述，而水壓則維持為1BC。21因流量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，功率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速立方成正比，總需求為Q，在某一工作點(diǎn)，Q是一定值6。圖22QH運(yùn)行特性及管阻特性6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)恒壓供水的。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。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為S11（26）異步電機(jī)的同步速度為160/（27）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為N60（1S）/（28）13其中為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速N為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速F為異步電機(jī)1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)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成正比例，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。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。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)閥門開度來調(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，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(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，而閥門開度保持不變，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，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。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。由以上分析我們可以看到，利用變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行恒壓供水系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。215變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(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。圖23變頻恒壓控制原理圖14從圖23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。216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Γ@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G（S）1（29）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)；R為系統(tǒng)滯后時(shí)間。22變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定221恒壓供水系統(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、變頻器、恒壓控制15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)要求和應(yīng)用場(chǎng)所，我們選擇“變頻器（PID）PLC人機(jī)界面壓力傳感器”的閉環(huán)控制方案，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。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，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)的設(shè)計(jì)方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。多泵并聯(lián)代替一兩臺(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)泵都能以較高效率運(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，水泵的維修更換也方便；其三，水泵起動(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。恒壓供水系統(tǒng)中關(guān)鍵在于多泵變頻循環(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)。同時(shí)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，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)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失?，F(xiàn)在將系統(tǒng)控制流程說明如下（1）系統(tǒng)通電，按照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ML，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ML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)16速才穩(wěn)定到某一定值，這期間ML工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。（2）當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過系統(tǒng)閉環(huán)控制自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，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)，通過變頻器自動(dòng)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。（3）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時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機(jī)ML切換至工頻電網(wǎng)供電后，ML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。（4）當(dāng)用水量減少水壓升高，變頻器的輸出頻率下降到下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓還是高于設(shè)定值，并且滿足減少水泵的條件時(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)泵變頻運(yùn)行為止。222恒壓供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵已經(jīng)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)速水泵已經(jīng)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)際供水壓力差已經(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)變頻器的輸出頻率已經(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)，但為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上下限值的真實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上下限值的情況，所以加入延時(shí)判斷，即系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，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17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，水泵機(jī)組切換的條件為增泵條件FFUPPFPS且延時(shí)判斷成立D（211）式中，F(xiàn)UP上限頻率；FLOW下限頻率；PS設(shè)定壓力；PF反饋壓力；PD壓力回滯環(huán)寬度。23恒壓供水PID的研究231PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有PID調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用PROPORTIONAL比例、INTEGRAL積分、DERIVATIVE微分控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值RT和實(shí)際輸出值Y（T）之間的偏差ETE（T）Y（T）R（T）（212）經(jīng)比例P、積分I和微分D運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量UT，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖24所示，圖中U（T）為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。18圖24PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為（213）式中為比例系數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式（214）PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下（1）比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差ET一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，即與偏差對(duì)時(shí)間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。（3）微分環(huán)節(jié)對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)變化速率做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，19改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但過大的對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力卻將減弱。PID的三種作用雖然各有自己的優(yōu)勢(shì)，然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能，如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字PID控制算法是通過對(duì)式213離散化來實(shí)現(xiàn)的。用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)NT代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式（215）式中T為采樣周期；N為采樣序號(hào)；EN為第N時(shí)刻的偏差信號(hào)；ENL為第N1時(shí)刻的偏差信號(hào)。PID位置控制算法采用全量輸出，一方面需要計(jì)算本次與上次的偏差信號(hào)EN和ENL，而且還要把歷次的偏差信號(hào)EJ相加，計(jì)算繁鎖，占用內(nèi)存大另一方面計(jì)算機(jī)輸出的控制量UN對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，UN可能出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這是不允許的。為此實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為（216）式中U（U）為調(diào)節(jié)輸出的控制增量；增量式算法中不需要累加，調(diào)節(jié)器輸出的控制增量U（U）僅與最近幾次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響較小，必要時(shí)可以通過邏輯判斷去掉過大的增量，而且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果13。232恒壓供水PID調(diào)節(jié)過程分析恒壓供水的目的就是要保證供水能力適應(yīng)用水需求量變化。當(dāng)供水能力20和用水需求之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力和用水需求之間的平衡。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對(duì)供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對(duì)水壓的要求，給PID調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成420MA的模擬電流信號(hào)反饋給變頻器內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能力等于用水需求，目標(biāo)壓力信號(hào)R和壓力反饋信號(hào)Y相等，偏差EYR0，PID輸出的控制增量U0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。（2）用水量增加時(shí)當(dāng)用水量增加，用水需求QU大于供水能力，水壓下降，壓力反饋信號(hào)Y減少，偏差EYR0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。（3）用水量減少時(shí)當(dāng)用水量減少，用水需求QU小于供水能力，水壓上升，壓力反饋信號(hào)Y增大，偏差EYR0，PID輸出的控制增量U0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，減弱供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。24本章小結(jié)本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型與近似數(shù)學(xué)模型；確定恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制流程；分析了在變頻恒壓供水系統(tǒng)中變泵的條件；最后對(duì)恒壓供水PID的算法及控制做了研究。21第三章變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制器、變頻器、壓力傳感器、電氣控制系統(tǒng)以及水泵機(jī)組等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，基本結(jié)構(gòu)如圖31。圖31恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖22在本系統(tǒng)中，水壓的恒定是靠對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速和改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。壓力傳感器（變送器）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的壓力，輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入PLC，PLC根據(jù)給定的壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測(cè)值進(jìn)行PID運(yùn)算，并相應(yīng)輸出大小適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)，該控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)送給變頻器，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，達(dá)到控制管網(wǎng)恒壓的目的。如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法進(jìn)一步改變，則通過改變水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)來穩(wěn)定壓力。對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)高恒壓值運(yùn)行。（2）三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！钡脑瓌t接入和退出系統(tǒng)。（3）當(dāng)用水量小的時(shí)候，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行超過3小時(shí)，則要切換至下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵”功能，避免某一臺(tái)電機(jī)因工作時(shí)間過長而損壞。（4）每臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要具有軟啟動(dòng)功能。（5）具有報(bào)警功能，對(duì)泵的操作要有手動(dòng)功能，手動(dòng)功能只在應(yīng)急或檢修時(shí)使用。32變頻恒壓供水系統(tǒng)主要配置的選型321水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，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，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本文以重慶某小區(qū)的實(shí)際生活用水的數(shù)據(jù)進(jìn)行選型，該小區(qū)生活用水具體要求為由多臺(tái)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍60O/H，揚(yáng)程60米左右，出水口水壓大小為304MPA。根據(jù)以上系統(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)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)上海熊貓機(jī)械集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的SFL系列主水泵機(jī)組。型號(hào)見圖32，參數(shù)見表3123圖32SFL系列水泵型號(hào)12表31水泵機(jī)組參數(shù)12SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5以上采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低室外噪音60分貝、磨損小、壽命更長下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。國外生活泵均采用此種形式，而不采用DL型泵，DL泵是60年代產(chǎn)品。SFL型低噪音生活給水泵的工作范圍為流量L360/H；揚(yáng)程12180M；功率075132KW3322PLC系統(tǒng)選型根據(jù)控制要求和控制規(guī)模的大小，系統(tǒng)需有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開關(guān)量輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。如果選用CPU224PLC，也需要擴(kuò)展單元；24如果選用CPU226PLC。則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大。參照西門子S7200產(chǎn)品目錄及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格；選用主機(jī)為CPU222（8入/6繼電器輸出）一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222（8繼電器輸出），再擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是實(shí)用并經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖33所示圖33PLC系統(tǒng)組成西門子S7200PLC系列CPU222模塊的I/O總數(shù)為14個(gè)，其中8個(gè)輸入點(diǎn)，6個(gè)輸出點(diǎn)，可帶2個(gè)擴(kuò)展模塊，用戶程序存儲(chǔ)容量為31K字，內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，指令豐富、速度快、具有較強(qiáng)的通信能力，通過擴(kuò)展EM222和EM235模塊，并使用PID指令，完全可以滿足對(duì)中等規(guī)模恒壓供水系統(tǒng)閉環(huán)模擬量的控制要求。323變頻器的選型要對(duì)系統(tǒng)所用的變頻器進(jìn)行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據(jù)所配電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器容量KVA應(yīng)同時(shí)滿足下列三式（31）（32）（33）式中負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的輸出功率；電動(dòng)機(jī)的效率通常在085以上；COS電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)通常在08以上；電動(dòng)機(jī)電壓V；電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流A電流波形的修正系數(shù)，對(duì)PWM方式，取10105；變頻器的額定容量KVA；變頻器的額定電流A。25這三個(gè)公式是統(tǒng)一的，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)鍵的量。580畢業(yè)設(shè)計(jì)網(wǎng)是專業(yè)的畢業(yè)論文代寫平臺(tái)也有大量畢業(yè)設(shè)計(jì)成品提供參考QQ3449649974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。綜合以上因素，系統(tǒng)選用根據(jù)此系統(tǒng)的負(fù)荷10002KVA和026A，選擇的變頻器是三菱的FRA500系列，型號(hào)為FRA540。FRA500系列在三菱變頻器家族中屬于多功能、通用型、重負(fù)載適用的變頻器。其功率范圍為04800KW3相380V，F(xiàn)R（L）系列，采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá)1120（0560HZ）。隨機(jī)帶有一個(gè)簡(jiǎn)易操作面板（FRDU04），也可以使用選件FRPU04（LCD顯示，帶菜單功能），具有可拆式的風(fēng)扇和接線端子，使用維護(hù)方便。超低噪聲運(yùn)行（采用柔性PWM方式），內(nèi)置RS485，可通過插卡實(shí)現(xiàn)與CCLINK、DEVICENETTM、PROFIBUSDP和MODBUSPLUS的聯(lián)網(wǎng)。操作簡(jiǎn)單，具有參數(shù)復(fù)制及參數(shù)組自選功能，用戶可自己選擇讀寫的參數(shù)組。該系列變頻器功能較強(qiáng)，具有內(nèi)置PID控制、工頻切換順序、停電減速停車控制等功能。324壓力傳感器的選型壓力變送器是將水管中的壓力信號(hào)變成15V或420MA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊（A/D模塊）的輸入，我們選擇TPT503壓力傳感器。TPT503壓力傳感器采用不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及較好的介質(zhì)兼容性?？梢詮V泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車輛制動(dòng)等壓力測(cè)量與控制。TPT503壓力傳感器的主要性能指標(biāo)如下量程01450MPA；綜合精度01FS、02FS、05FS、10FS；輸出型式420MA/05V/010V；工作溫度108015OC；供電電壓936V；長期穩(wěn)定性01FS/年；負(fù)載阻抗電流型最大800，電壓型50K以上。這里選用TPT503壓力傳感器可以滿足恒壓供水領(lǐng)域的要求。33控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配26從上面的分析我們可以知道，系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)，開關(guān)量輸出點(diǎn)13個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。水位上下限信號(hào)分別為I01、I02，它們?cè)谒蜎]時(shí)為0，露出時(shí)為1?？刂葡到y(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代號(hào)及I/O地址分配，見表32。表32輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)手動(dòng)和自動(dòng)消防信號(hào)SA1I00水池水位下限信號(hào)SLLI01水池水位上限信號(hào)SLHI02變頻器報(bào)警信號(hào)SUI03消防按鈕SB9I04試燈按鈕SB10I05輸入信號(hào)遠(yuǎn)程壓力表模擬量電壓值A(chǔ)IW01泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1，HL1Q001泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2，HL2Q012泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3，HL3Q022泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4，HL4Q033泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5，HL5Q043泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6，HL6Q05生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q10水池水位下限報(bào)警指示燈HL7Q11變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q12火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Q13報(bào)警電鈴HAQ14變頻器頻率復(fù)位控制KAQ15輸出信號(hào)控制變頻器頻率用電壓信號(hào)AQW034系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)27系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)原理圖主要包括主電路圖、控制電路圖、PLC系統(tǒng)外部接線圖和變頻器電氣原理圖等。341主電路圖電控系統(tǒng)主電路，如圖34所示。在主電路中，三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器；VVVF為通用變頻器。圖34電控系統(tǒng)主電路首先由M1在變頻器VVVF控制下工作，當(dāng)用水量增大時(shí)，M1已經(jīng)達(dá)到額定頻率而水壓不足時(shí)，經(jīng)過短暫的延時(shí)后，將M1切換至工頻工作。同時(shí)，VVVF輸出頻率迅速降為0；然后M2投入變頻運(yùn)行。當(dāng)2號(hào)泵也達(dá)到額定功率而水壓不足時(shí)，又使M2切換為工頻運(yùn)行，使M3投入變頻運(yùn)行。相反，當(dāng)用水量減少時(shí)，則1號(hào)水泵先退出，然后2號(hào)泵依次退出，完成一次加減泵的循環(huán)。在補(bǔ)泵時(shí)，因電動(dòng)機(jī)功率較大，不能直接啟動(dòng)，應(yīng)該將原變頻泵切換至工頻運(yùn)行，而用變頻器對(duì)所補(bǔ)的水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)，并控制其變頻運(yùn)行。28342控制電路圖系統(tǒng)的控制電路圖，如圖35所示。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按扭SB1SB8控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)觸點(diǎn)信號(hào)，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖35中的K4K26為PLC的輸出繼電器觸電。圖35電控系統(tǒng)控制電路29343PLC系統(tǒng)外部接線圖圖36為PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)信號(hào)SA1被觸動(dòng)，I00為1?？山Y(jié)合表32輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)與圖35電控系統(tǒng)控制電路一起讀圖。30圖36恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線31344變頻器外部接線圖變頻器的外部接線圖，如圖37所示。這個(gè)圖可以結(jié)合系統(tǒng)主電路圖、控制電路圖和PLC外部接線圖一起閱讀。R、S、T交流電源輸入，連接工頻電源；U、V、W變頻器輸出，接水泵電機(jī)；RES復(fù)位，通過中間繼電器KA通電使其觸點(diǎn)接通，用于對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位；RUN變頻器正在運(yùn)行；A變頻器故障信號(hào)，指示變頻器因保護(hù)功能動(dòng)作而輸出停止的轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)，到PLCI03端子；2、5模擬電壓輸入，對(duì)其頻率設(shè)定。圖37變頻器外部接線圖35本章小結(jié)本章針對(duì)用戶需求，在滿足供水能力的前提下，實(shí)現(xiàn)了變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由PLC控制的多泵分級(jí)調(diào)節(jié)和變頻器控制的單泵連續(xù)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)流量在大范圍內(nèi)變化時(shí)的恒壓供水，基于這一設(shè)計(jì)方案，本章主要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件設(shè)計(jì)做了說明，對(duì)系統(tǒng)主要配置硬件部分做了選型，最后給出了供水系統(tǒng)電氣控制原理圖。32第四章恒壓供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)41系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)說明及流程圖PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的軟件控制功能較多，模擬量單元及PID調(diào)節(jié)調(diào)用了初始化子程序及中斷程序。因此，整個(gè)程序主要分為三大部分，即主程序、初始化子程序和中斷子程序，下面逐一進(jìn)行介紹。411主程序主程序的流程圖，如圖41所示。主程序?qū)崿F(xiàn)功能最多，如泵的切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序中。生活及消防雙恒壓的兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字式方式直接在程序中設(shè)定的。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的70，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿量程的90。本系統(tǒng)中初步確定的比例增益和時(shí)間常數(shù)為增益025；采樣時(shí)間02S；積分時(shí)間30MIN；微分時(shí)間TD033圖41主程序流程圖34412初始化子程序系統(tǒng)初始化的一些工