高層建筑控制的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計.doc

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1 概論 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡技術(shù)等應用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。 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，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(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)實意義。 1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 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)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設(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，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。 2．恒速泵加水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時間比、開停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質(zhì)量的嚴重下降。 3．恒速泵加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，但這對建筑物的造價與設(shè)計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。一些動物甚至人都可能進入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。 4．恒速泵加氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控制泵的開、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(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)因異物進入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者做一比較。 5．變頻調(diào)速供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種： 水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。 (1) 出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運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程中所占比例較小，整個給水系統(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)中應用時，由于管路能耗較大，在低峰用水時，最不利點的流出水頭高于設(shè)計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。 (2) 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。是將每日24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其實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小時分成的時段數(shù)及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節(jié)能，將全天分得越細越節(jié)能，當然控制的實現(xiàn)也越復雜。 (3) 最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處，使系統(tǒng)在運行過程中保持最不利點的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實際應用中受到諸多限制，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。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時水泵是工頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時可無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個較大的缺點。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺由微機控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的1/3-1/6，因而每個罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，加之啟動方式為軟啟動，設(shè)備運行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。 由此可見，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(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Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(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，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出子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)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 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，對于能適應不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(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，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐。 1.3 課題來源及本文的主要研究內(nèi)容 1．課題來源 本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實際應用。 2．研究的主要內(nèi)容 通過前面對傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國己成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以用于深井泵恒壓供水系統(tǒng)、各類型的自來水廠、供熱和空調(diào)循環(huán)用水系統(tǒng)、消防用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補水系統(tǒng)，還可以廣泛應用于化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。本文研究的主要內(nèi)容如下： （a）通過揚程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行曲線 ，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。 （b）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實用性的控制方案。 （c）研究PID控制器的設(shè)計原理及方法。 （d）設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。 2 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析 在供水系統(tǒng)中，用水量處于動態(tài)變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法維持管壓恒定，同時也影響設(shè)備壽命；若采取閥門控制調(diào)節(jié)流量來維持管壓，必然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對管網(wǎng)、閥門等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種不錯的選擇。據(jù)統(tǒng)計采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)恒壓供水，可節(jié)20-50%，節(jié)能效果相當顯著。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。 2.1 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù) 供水系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。 摩擦損失 吸入口 水壓 全 揚 程 實 際 揚 程 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 圖2-1 供水系統(tǒng)的基本模型 a)全揚程的概念 b)基本模型 圖中： —— 水泵中心位置；—— 吸水口水位；—— 水平面水位；—— 管道最高處水位；—— 在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實的管道系統(tǒng)中，這個位置并不存在。只有在大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常水。 主要參數(shù)有： 1．流量 單位時間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是/min； 2．揚程 也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數(shù)值上等于對應的水位差，常用單位是m； 3．實際揚程 供水系統(tǒng)中，實際的最高水位與最低水位之間的水位差，即供水系統(tǒng)實際提高的水位。即：=-； 4．全揚程 水泵能夠泵水上揚的最高水位與吸入口的水位之間的水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即：=-； 5．損失揚程 全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。,,之間的關(guān)系是： =+。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚程必須大于實際揚程，這多余的揚程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失； 6．管阻 閥門和管道系統(tǒng)對水流的阻力和閥門開度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計算，常用揚程與流量間的關(guān)系曲線來描述； 7．壓力 表明供水系統(tǒng)中某個位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動態(tài)情況下，則還與流量與揚程之間的平衡情況有關(guān)。 2.2 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點 供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和管組特性曲線，如圖2-2。通過特性曲線圖可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點。 圖2-2中： 曲線①——額定轉(zhuǎn)速時的 ② ① ③ ④ A B N 揚程特性曲線； 曲線②——轉(zhuǎn)速時的揚程特性曲線； 曲線③——閥門開度100%時的管阻特性曲線； 曲線④——閥門開度不足100%時的管阻特性曲線。 圖2-2 供水系統(tǒng)特性曲線 1．揚程特性 以管路中的閥門開度不改變?yōu)榍疤幔唇孛娣e不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚程與流量間 的關(guān)系曲線，稱為揚程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚程特性曲線不同，圖2-2中的曲線①、②分別對應于轉(zhuǎn)速、，且＞。 曲線表明轉(zhuǎn)速一定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用表示。 用水量一定時，即不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚程就越小。 2．管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤?，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關(guān)系曲線，稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線③對應閥門開度大于曲線④對應的閥門開度。 管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來決定的，故管阻特性的流量可以認為是供水流量，用表示。 在實際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的和是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。 當供水流量接近于0時，所需的揚程等于實際揚程（）。表明了如果全揚程小于實際揚程的話，將不能供水。因此，實際揚程也就是能夠供水的基本揚程。 3．供水系統(tǒng)的工作點 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點。在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 圖2-2中的點表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門開度為100%時的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點。 4．供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率（kW)稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比 （2-1） 式中一一比例常數(shù)。 2.3 供水系統(tǒng)中恒壓實現(xiàn)方式 對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制?？紤]到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與供水能力(由流量表示)和用水需求(由用水流量表示)之間的平衡情況有關(guān)。 若供水能力＞用水需求，則壓力上升； 若供水能力＜用水需求，則壓力下降； 若供水能力= 用水需求，則壓力不變。 可見 ，流體壓力的變化反映了供水能力與用水需求之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證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。 將來用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 (1) 閥門控制法 轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。 實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量大小，以適應用戶對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。 (2) 轉(zhuǎn)速控制法 閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。 實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 2.4 異步電動機調(diào)速方法 通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動機的轉(zhuǎn)速公式 (2-2) 式中 一一異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，； 一一 異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，； 一一 異步電動機磁極對數(shù)； 一一 異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率； 一一 轉(zhuǎn)差率 ，100%。 由式（2-2）可知調(diào)速方法有變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。 1．變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 2．變轉(zhuǎn)差調(diào)速 通過改變電動機的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。 三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為 (2-3) 該損耗和電機的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率很小，相應的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水時，為適應流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。 3．變頻調(diào)速 通過調(diào)節(jié)電動機的電源頻率來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。 這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變，其關(guān)系為 =常數(shù) 式中 一一變頻器輸出電壓，一一變頻器輸出頻率。 變頻調(diào)速方式時，電動機的機械特性表達式 （2-4） 式中 一一電機相數(shù)； 一一定子電阻；一一定子漏電抗；一一轉(zhuǎn)子漏電抗折算值。 頻率從額定值往下調(diào)時， 電機機械特性變化情況如圖2-3所示。 圖中＞＞＞＞。 變頻調(diào)速過程的特點： 靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果。 圖2-3 變頻調(diào)速機械特性 2.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析 2.5.1 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)節(jié)能 （1）轉(zhuǎn)速控制法與閥門控制法供水能耗分析 在圖2-2中，將閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫在了同一坐標系中。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)點，當所需流量減少，從額定流量變?yōu)闀r，在恒壓前提下，采用閥門控制法時供水系統(tǒng)工作點將移到A點，對應的供水功率與面積成正比；采用轉(zhuǎn)速控制法時供水系統(tǒng)工作點將移到B點，對應的供水功率與面積成正比。 兩種控制方式下的面積之差△=表明了采取轉(zhuǎn)速控制方式相對于閥門控制方式可以實現(xiàn)節(jié)能。 （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與恒速運行供水能耗分析 根據(jù)水泵比例定理，改變轉(zhuǎn)速，水泵流量、揚程和軸功率都隨之相應變化，其關(guān)系式為 （2-5） （2-6） （2-7） 式中 ， ，，分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚程和軸功率。從以上關(guān)系可知，當轉(zhuǎn)速下降時，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的3次方關(guān)系下降，可見轉(zhuǎn)速對功率的影響是最大的。 一般在設(shè)計中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設(shè)計。但在實際運行中，管網(wǎng)用水量常常低于最不利工況，這時，如降低轉(zhuǎn)速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的軸功率大大減少。 可見 ，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來實現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時節(jié)能效果更為明顯。 2.5.2 轉(zhuǎn)速控制供水系統(tǒng)的工作效率高 (1) 工作效率的定義 供水系統(tǒng)的工作效率為水泵的供水功率與軸功率之比，即 (2-8) 該效率是包含了水泵本身效率在內(nèi)的整個供水系統(tǒng)的總效率。式(2-8)中 ，是指水泵是在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即電動機的輸出功率；是供水系統(tǒng)的輸出功率也就是水獲得的實際功率，由實際供水的揚程和流量計算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機械損耗、水力損失、容積損失，以及管路中的管阻損耗。 (2) 供水系統(tǒng)工作效率的近似計算公式 水泵工作效率相對值的近似計算公式如下 (2-9) 式(2-9) 中 ——效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值均小于1。有以下關(guān)系，、、 、為常數(shù)，遵循如下規(guī)律-=1。 (3) 不同控制方式時的工作效率 閥門控制法方式，因轉(zhuǎn)速不變，=1，比值=，隨著流量的減小，減小，水泵工作的效率降低十分明顯。 轉(zhuǎn)速控制方式時，因閥門開度不變，由式(2-4)，流量和轉(zhuǎn)速是成正比的，比值不變。即水泵的工作效率是不變的，總是處于最佳狀態(tài)。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統(tǒng)的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個方面。 2.5.3 變頻調(diào)速電機運行效率高 在設(shè)計供水系統(tǒng)時，額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且，實際用水流量也往往達不到額定值，電動機也常常處于輕載狀態(tài)，電機恒速運行時效率和功率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式變頻器能夠根據(jù)負載輕重調(diào)整輸入電壓，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面。 2.6供水系統(tǒng)安全性討論 2.6.1 水錘效應 在極短時間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應。水錘效應具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂；壓強過低，又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應還可能損壞閥門和固定件。 2.6.2 產(chǎn)生水錘效應的原因及消除辦法 產(chǎn)生水錘效應的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)徹底消除水錘效應。 水泵的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應的強弱。 拖動系統(tǒng)中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩；：是電動機的拖動轉(zhuǎn)矩；：是供水系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩。 圖2-4反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。圖中曲線①是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性，圖2-4b)中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 由圖2-4可知，水泵在直接起動過程時，因動態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強烈的水錘效應，通過變頻起動，可有效地降低動態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應。 停機過程效果類似。 O O ① ② 圖2-4 水泵的直接起動和變頻起動 a)全壓起動 b)變頻起動 2.6.3 變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用 采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： (1) 消除了水錘效應，減少了對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命； (2) 降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長； (3) 避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命； (4) 減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 3 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 供水系統(tǒng)總體方案的確定 1．用戶需求 供水系統(tǒng)總體要求： (1) 由多臺水泵機組實現(xiàn)供水，流量范圍120m3/h，揚程80米左右； (2) 設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水； (3) 供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要?。? (4) 系統(tǒng)能自動可靠運行，為方便檢修和應急，應具備手動功能； (5) 各主泵均能可靠地實現(xiàn)軟啟動； (6) 具有完善的保護和報警功能； (7) 系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能。 2．方案確定 確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案的基本依據(jù)是設(shè)計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點用水需求，同時還需要結(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)用戶的用水時段特點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，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，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)有多段用水低谷時間，流量很小或為零。 采用變頻調(diào)速方式來實現(xiàn)低流量時的恒壓供水節(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30%。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，噪聲小。 采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。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、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺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，為進一步減少功耗，采用一臺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，是實現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調(diào)試方便、維護工作量小的PLC通過編程來實現(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)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓。 綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便的變頻器和PLC作為主要控制設(shè)備來設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖3-1。 圖3-1 系統(tǒng)構(gòu)成方案圖 3.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.2.1系統(tǒng)主要配置的選型 1．水泵機組的選型 根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計流量和設(shè)計供水壓力(水泵揚程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺主水泵機組和1臺輔助泵機組，型號及參數(shù)見表3-1。 表3-1 水泵型號及參數(shù) 用水量/（） 揚程/ 水泵型號 電動機功率/kw 配用變頻器/kw 363 100 65LG50-205 22 22 241 100 50LG24-205 11 11 2．變頻器的選型 根據(jù)控制功能不同，通用變頻器分為三種類型。普通功能型u/f控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功的高功能型u/f控制變頻器，矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的u/f控制變頻器。 綜合以上因素，系統(tǒng)選用專為風機、泵用負載設(shè)計的普通功能型u/f控制方式的森蘭變頻器，型號BT12S22KWI,變頻器內(nèi)置PID控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)恒壓供水。 其主要參數(shù)及性能介紹如下： 額定容量：30KVA；額定電壓：380V；額定電流：45A；額定過載電流：額定電流的120%1分鐘。 配用制動電阻：30。 3．PLC的選型 依據(jù)控制任務，從PLC的輸入1輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入l輸出接口模塊類型等方面等來選擇PLC型號。在供水系統(tǒng)的設(shè)計中，我們選擇三菱FX2N-32MR，其I/O端子分配在3.2.4節(jié)給出。 FX2N-32MR主要參數(shù)及特點： I/O點數(shù)：16/16；用戶程序步數(shù)：4K；基本指令：27條；功能指令：298條；基本指令執(zhí)行時間：0.08微秒；通信功能：強；輸出形式：繼電型；輸出能力：2A/點。 4．壓力變送器及數(shù)顯儀的選型 選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0-1MPa，精度1.5；數(shù)顯儀輸出一路4-20mA電流信號，送給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上下、限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 5．其余器件型號 表3-2器件型號表 元件 型號 參數(shù) 備注 自動開關(guān) DW10-200/3 脫扣器150A 3個 DZ4-50/320 脫扣器50A 1個 DZ4-25/320 脫扣器25A 1個 接觸器 CJ10-60 7個 熔斷器 RM10-100/80 1個 RM10-200/125 4個 RM10-600/500 1個 按鈕開關(guān) LA19-11 規(guī)格：５００Ｖ 14個 指示燈 XD6 24V,1.2W 4紅，8綠 中間繼電器 DZ-53/220 24V,2.5-5W 14個 高低水位控制器 EQ 1個 主令控制器 SA 1個 熱繼電器 JR16-60/3D 熱元件32A，45A 1個32A，3個45A 3.2.2 主電路方案設(shè)計 三臺大容量的主水泵(1#,2 #,3 #)根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運行在工頻狀態(tài)，通過一個接觸器接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關(guān)，F(xiàn)R1, FR2, FR3, FR4為工頻運行時的電機過載保護用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現(xiàn)電機過載保護。 圖3-2 主電路圖 變頻器的主電路輸出端子(U,V,W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U,V,W)的相序，否則無法工作。變頻器和電動機之間的配線長度應控制在100m以內(nèi)。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子FWD(REV)來操作，不得以主電路空氣開關(guān)QF2的通斷來進行。為了改善變頻器的功率因素，還應在變頻器的(Pl, P+)端子之間需接入相應的DC電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。圖3-2給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。 3.2.3 控制電路設(shè)計 在控制電路的設(shè)計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。為了保護PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進而控制電機或者閥門的動作。通過隔離，可延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。 控制電路之中還要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對于變頻器安全運行十分重要。變頻器的輸出端嚴禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。因此，在控制電路中多處對各主泵電機的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；另外，變頻器是按單臺電機容量配置，不允許同時帶多臺電機運行，為此對各電機的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。為提高互鎖的可靠性，在PLC控制程序設(shè)計時，進一步通過PLC內(nèi)部的軟繼電器來做互鎖。 控制電路中還考慮了電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示的設(shè)計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。 出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。通過轉(zhuǎn)換關(guān)及相應的電路來實現(xiàn)。圖3-3給出了供水系統(tǒng)的部份電氣控制線路圖。 圖3-3 手動控制線路圖 圖3-3 中，SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動/自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置KA吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過按鈕SB1-SB14控制各臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)執(zhí)行PLC的控制程序，自動控制泵的起停。 中間繼電器KA的7個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。中間繼電器KA的常開觸點接PLC的XO，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時，四臺泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。 電動機電源的通斷，由中間繼電器KA1-KA7控制接觸器KM1-KM7的線圈來實現(xiàn)。HLO為自動運行指示燈。FR1, FR2, FR3，F(xiàn)R4為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點，對電機進行過載保護。 3.2.4 PLC的I/O端子分配及接線圖 PLC的I/O分配如表3-3。 表3-3 PLC的I/O端子分配 現(xiàn)場器件與接線段子 I/O地址 功能注釋 輸 入 中間繼電器KA常開觸點 X0 自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān) 變頻器Y2端子 X1 變頻器輸出頻率極限信號 遠傳壓力表壓力上限電接點 X2 壓力下限到達信號 遠傳壓力表壓力下限電接點 X3 壓力上限到達信號 水池水位下限信號 X4 水池缺水 接觸器KM8常開 X5 變頻器故障報警信號 接觸器KM9常開 X15 壓力上下限報警信號 變頻器Y1 X16 變頻器過載信號 輸 出 KA8線圈 Y0 實現(xiàn)運行/停止控制 KA1線圈 Y1 1#變頻運行控制及指示 KA2線圈 Y2 1#工頻運行控制及指示 KA3線圈 Y3 2#變頻運行控制及指示 KA4線圈 Y4 2#工頻運行控制及指示 KA5線圈 Y5 3#變頻運行控制及指示 KA6線圈 Y6 3#工頻運行控制及指示 KA7線圈 Y7 輔助泵工頻運行控制及指示 KA10線圈 Y10 水池水位下限報警指示 KA11線圈 Y11 變頻器故障報警指示 KA12線圈 Y12 水壓上下報警 KA13線圈 Y13 自動變頻運行指示 KA14線圈 Y14 自動工頻運行指示 KA15線圈 Y15 變頻器過載運行指示 依據(jù)表3-3得FX2N-32MR的I/O口的輸入輸出電路圖，如圖3-4。 圖3-4 PLC的接線圖 3.2.5 變頻器功能設(shè)定及接線圖 表3-4 變頻器接線及參數(shù)設(shè)置 變頻器端子 現(xiàn)場器件與接線端子 功能 代碼 參數(shù)設(shè)定 解釋 FWD KA8線圈 Y1 PLC的X16 F33 4 輸出過載預報信號 Y2 PLC的X1 F33 2 輸出頻率到達信號 CM PLC的COM PE 接地端子 IRF 接壓力傳感器輸入信號 30A，30B KM8線圈 變頻器故障總報警信號 30PA，30PB KM9線圈 壓力上下限報警信號 F01 2 頻率由外控端子IRF4～20mA F02 1 外控FWD,REV控制，STOP有效 F03 1 電動機停車方式自由制動 F04 50.00 Hz 最大頻率 F06 380V 最高輸出電壓 F10 2 電子熱保護，過載預報動作 F12 49.5Hz 上限頻率 F13 20.00 Hz 下限頻率 F21 10.00 Hz 啟動頻率 F27 1 轉(zhuǎn)向鎖定，正向有效 F50 3 反饋方式模擬電流4～20mA F44 4 控制對象是壓力 表3-4中頻率參數(shù)設(shè)置說明： (1) 最大頻率：水泵屬于平方律負載，轉(zhuǎn)矩∝ ，當轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。 (2) 上限頻率：由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了電動機的負載，因此實際預置得略低于額定頻率。 (3) 下限頻率：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低，會出現(xiàn)水泵的全揚程小于基本揚程(實際揚程)，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)實際情況適當調(diào)整。 (4) 啟動頻率：水泵在啟動前，其葉輪全部在水中，啟動時，存在著一定的阻力，在從0Hz開始啟動的一段頻率內(nèi)，實際上轉(zhuǎn)不起來。因此，應適當預置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點沖擊力。 4 系統(tǒng)軟件開發(fā) 4.1 PLC控制程序的設(shè)計 4.1.1全自動變頻恒壓運行方式水泵運行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析 1．轉(zhuǎn)換過程分析 啟動自動變頻運行方式時，首先起動輔助穩(wěn)壓泵工頻運行供水，當用水量大，超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓時，PLC通過變頻器啟動1號主水泵供水，同時關(guān)閉輔助泵的運行。在1號主水泵供水過程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)整1號主水泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設(shè)定壓力，由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于1號工頻、2號變頻的兩臺水泵并聯(lián)運行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，將按上述過程繼續(xù)增開水泵臺數(shù)，直到滿足水壓要求。整個加泵過程中，總是保證原來工作于變頻運行狀態(tài)的水泵轉(zhuǎn)入工頻恒速運行，新開泵軟啟動并開始運行在變頻狀態(tài)，保證只有一臺水泵運行在變頻狀態(tài)。 當用水量減少時，變頻器通過PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。若變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高，按“先起先?！钡脑瓌t，由PLC給出控制信號，將當前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關(guān)閉，同時PID調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先?！痹瓌t逐臺關(guān)閉處于工頻運行的水泵。 當系統(tǒng)處于單臺主水泵變頻供水狀態(tài)時，若用水量減少，變頻器輸出頻率達到下限頻率時，水壓仍過高時，關(guān)閉變頻器運行，啟動輔助泵維持供水。 2．供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 供水狀態(tài)是指在供水時投入運行的水泵臺數(shù)及運行狀況(工頻或變頻)。為保證在一個較長的時間周期內(nèi)，各臺水泵運行時間基本均等，避免某臺電機長期得不到運行而出現(xiàn)銹死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。 若有N臺水泵參與變頻調(diào)速，則滿足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態(tài)數(shù)為“”。將來的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來回循環(huán)。 本系統(tǒng)采用了三臺主水泵和一臺輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運行，共有10種有效供水狀態(tài)，見表4-1。 圖4-1可見，供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關(guān)，還與其目前所處的供水狀態(tài)有關(guān);由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式，即上一次啟動1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應啟動2#泵。 3．狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達極限頻率及水壓是否達到上、下限值。設(shè)變頻器輸出頻率達到極 限頻率時的信號為X1，水壓達到設(shè)定壓力下限值時的欠壓信號為X2，水壓達到設(shè)定壓力上限值時的超壓信號為X3。 從輔助泵切換到主泵條件：滿足X2； 從主泵切換到輔助泵條件：同時滿足X1、X3； 增泵條件：同時滿足X1、X2； 減泵條件：同時滿足X1、X3； 4．狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的實現(xiàn)方法 從輔助泵切換到主泵只需斷開輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動一臺主泵的運行即可；從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投入工頻運行即可。 減泵過程是在滿足減泵條件的前提下，通過PLC控制，斷開工頻運行狀態(tài)電機的接觸器主觸點即可。 增泵過程的實現(xiàn)相對復雜一些，首先要將運行在變頻狀態(tài)的電機和變頻器脫離后，再切換到電網(wǎng)運行，同時變頻器又要以起始頻率起動一臺新的電機運行。切換過程主要考慮三方面的問題： 第一，切換過程的可靠性。決不允許出現(xiàn)變頻器的輸出端和工頻電源相連的情況，這一點通過控制電路、PLC內(nèi)部軟繼電器的互鎖及PLC控制程序中動作的時間先后次序來保證。 其次，切換過程的完成時間。時間太長，原變頻運行的電機轉(zhuǎn)速下降太多，一方面造成水壓下降大，另一方面在接下來切換到工頻時沖擊電流大，時間太短，切換過程的可靠性下降。具體時間還需根據(jù)電動機的容量大小來設(shè)定，容量越大時間越長，一般情況下500ms足夠。 再次，切換過程的電流。因變頻器輸出電壓相位和電網(wǎng)電壓相位一般不同，當電機從變頻器斷開后，轉(zhuǎn)子電流磁場在定于繞組中的感應電壓與電網(wǎng)電壓往往也存在相位差。此時，切換到工頻電網(wǎng)瞬間，如果二者剛好反相，則將產(chǎn)生比直接起動時的起動電流更大的沖擊電流，反過來對變頻器造成沖擊。 4.1.2 PLC程序設(shè)計方法 1．PLC編程語言 PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來的一種新型的工業(yè)自動化控制裝置。采用了面向控制過程、面向問題、簡單直觀的PLC編程語言，易于學習和掌握。盡管國內(nèi)外不同廠家采用的編程語言不盡相同，但程序的表達方式基本類似，主要有四種形式：梯形圖、指令表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級語言。 梯形圖編程語言是一種圖形化編程語言，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，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對于那些熟悉繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的人來說，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡單的控制功能的編程。絕大多數(shù)PLC用戶都首選使用梯形圖編程。 指令是用英文名稱的縮寫字母來表達PLC的各種功能的助記符號，類似于計算機匯編語言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號組成。比較抽象，通常都先用其它方式表達，然后改寫成相應的語句表。編程設(shè)備簡單價廉。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語言(SFC)類似于計算機常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過程比較詳細具體，包括每一框前的輸入信號，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達方式。 高級語言類似于BACIC語言、C語言等，在某些廠家的PLC中應用。 2．梯形圖語言編程的一般規(guī)則 通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有： (1) 梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個邏輯行起始于左母線，然后是觸點的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。 (2) 梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒有真實的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認為它只能由左向右單方向流，層次的改變也只能自上而下。 (3) 梯形圖中的繼電器實質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“0態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運算的結(jié)果。 (4) 梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。 (5) 繼電器線圈在一個程序中不能重復使用；而繼電器的觸點，編程中可以重復使用，且使用次數(shù)不受限制。 (6) PLC在解算用戶邏輯時，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時動作，這在設(shè)計梯形圖時，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計大大簡化。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應于一條指令，一條指令為一個步序。 3．PLC程序開發(fā)平臺 不同公司的PLC采取的開發(fā)平臺不同，這次設(shè)計采用MITSUBISHI公司提供的Windows環(huán)境下的編程軟件MELSOFT系列GX Developer來開發(fā)。先用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)來描述供水狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程和轉(zhuǎn)換條件，再用步進順控指令(STL)轉(zhuǎn)換為步進梯形圖，通過檢查、編譯后，用專用編程電纜下載到PLC程序存儲器中。其間還需要一個調(diào)試過程。 4．程序掃描工作方式的原理 當PLC運行時，用戶程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時去執(zhí)行多個操作的，它只能按分時操作原理每一時刻執(zhí)行一個操作。這種分時操作的過程稱為CPU對程序的掃描。掃描從0000號存儲地址所存放的第一條用戶程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲地址號遞增順序逐條掃描用戶程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復始。 順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設(shè)計，并為PLC的可靠運行提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過CPU設(shè)置的定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定的時間，從而避免了由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)而造成故障的影響。 PLC