继电接触式变频恒压供水控制系统设计_毕业设计.doc

共 44 页 第 1 页 装 订 线 继电接触式变频恒压供水控制系统设计继电接触式变频恒压供水控制系统设计 摘摘 要要 供水工程往往成为高层建筑或工矿企业和小型企业中最重要的基础设施之一。任何时 候都能提供足够的水量、平稳的水压、合格的水质是对给水系统提出的基本要求。本系统 研究了变频调速技术在民用建筑供水系统中的应用，采用继电接触式控制系统和变频器作 为主控单元，配合接触器，pid 调节器，压力传感器，干簧管等构成了变频供水的智能控 制系统。其中为了节约成本采用继电接触式对系统进行逻辑控制，变频器进行压力调节， 压力传感器时刻跟踪水泵出口压力和给定压力值的偏差变化，经 pid 调节器内部运算送入 变频器，由控制电路控制 3 台电机的起停以及工频与变频的切换，实现闭环自动调节恒压 变频供水，在保持恒压的前提下达到控制流量的目的。充分发挥了变频调速的优势，具有 高效节能，自动控制，性能稳定的优点。 关键词：继电器，接触器，变频调速，恒压供水 共 44 页 第 2 页 装 订 线 abstract the water supply project often becomes one of most important infrastructures in the high-rise construction or the industrial and mining establishment and the small businesses. providing the enough water volume at any time, the steady hydraulic pressure, the qualified water quality is the essential requirements which proposed to the aqueous system. this system has studied the frequency conversion velocity modulation technology in the civil construction water supply systems application, using relay and contractor control system and the frequency changer, coordinates the contact device, the pid regulator, the pressure transmitter, reed pipes and so on to constitute the frequency conversion water supply intelligent control system. and to save the cost ,it uses relay and contractor to finish the logical control, the frequency changer to finish the pressure control, the pressure transmitter time track water pump outlet pressure and assigns the value of pressure the deviation change, sends in the frequency changer after the pid regulator internal arithmetic, controls 3 electrical machinery by the control circuit to stop as well as the power frequency and the frequency conversion cut, realizes the closed loop automatic control constant pressure frequency conversion water supply, maintains the constant pressure the premise issues the control current capacity the goal.this system has fully displayed the advantage of vaviable frequency control, has the excellence of energy conservation, automatic control, stable property merit. keykey words:words: relay, contacor, , vaviable frequency control, constant pressure water supply 目录目录 共 44 页 第 3 页 装 订 线 前言前言3 3 1.1 供水技术应用 .3 1.2 变频恒压供水系统的发展 .4 1.3 本课题所需工作 .5 第一章第一章 系统组成及可行性分析系统组成及可行性分析6 6 1.1 变频调速的基本原理.6 1.2 变频恒压调速在供水系统中的应用 .6 1.3 系统工艺流程 .6 1.4 控制要求及技术指标 .7 1.5 可行性分析，节电分析.8 第二章第二章 系统设计系统设计9 9 2.1 主电路设计 .9 2.1.1 变频器的工作原理 .9 2.1.2 变频器的发展 10 2.1.3 电机运行的控制 11 2.1.4 工频变频切换与变频器工作的时序的关系 11 2.1.5 pid 调节器的应用和原理 11 2.2 确定控制方案 14 2.2.1 手动运行 15 2.2.2 自动运行 15 2.2.3 保护和报警系统 16 2.2.4 仪表显示 17 2.2.5 控制电路图 17 第三章第三章 设备选型设备选型2020 3.1 变频器选型20 3.2 水泵电机的选择 .20 3.3 接触器 .21 3.4 继电器 .21 3.4,1 热继电器21 3.4.2 时间继电器 .22 3.4.3 中间继电器 .22 共 44 页 第 4 页 装 订 线 3.5 低压断路器22 3.6 压力变送器23 3.7 调节器23 3.8 干簧管24 3.9 频率显示仪表24 3.10 按钮，万能开关.24 3.11 指示灯.24 3.12 警铃.25 3.13 固定线槽的选用.25 3.14 接线端子排的选用.25 第四章第四章 控制柜设计控制柜设计2626 4.1 相关布置规定26 4.1.1 设计准备工作 26 4.1.2 控制柜布局和器件配置26 4.2 控制柜内部布置27 4.3 面板布置27 第五章第五章 结论结论2828 5.1 系统总结28 5.2 系统特点28 结束语结束语2929 致谢致谢3030 参考文献参考文献3131 附录附录 a a 3232 附录附录 b b 3333 前言 1 供水技术应用： 传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。但是他们有不可 共 44 页 第 5 页 装 订 线 避免的缺点。恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。 供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。 水箱 / 水塔供水 系统用水由水箱 / 水塔直接供应，即为重力供水。供水压力比较稳定，且有贮水。但 它是由位置高度所形成的压力来进行供水，为此需要建造水塔或将水箱置于建筑屋顶的最 高度。在大型建筑中即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，同时由于其存 水量较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼层的建筑面积，也妨碍美 观。此外，屋顶水箱必须高出层面几米，建筑立面较难处理，而且投资周期长。 气压供水系统 气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅地下室或某些空余之处 设置水泵机组和气罐设备，采用压力给水来满足供水要求。气压供水系统是以气压罐代替 水塔或高位水箱，利用密闭压力水罐内空气的压力将罐水压送到管网中去，其优点是灵活 性大、建设快、少受污染、不妨碍美观，有利于抗震、消除管道中的水锤与噪声；缺点是 需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气 压缩机充气，因此消耗动力较多，维护费用高。 变频恒压供水系统 随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，该技术得以在供水行业普及。变频调速恒 压供水系统是根据用水量的多少，自动调整系统参数，最终实现向用户恒压供水，该系统 具有以下优点： 节约用水，供水的系统，常常由于夜间用水少，管道内的压力往往比白天高，水压越 高，管件越容易损坏，造成跑、冒、滴、漏，多次发生夜间崩管事故。 采用变频器进行变 频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏，从而节约用水。供 共 44 页 第 6 页 装 订 线 水量无级调节 恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持 在合理的范围内，管接件所承受的压力减小，延长了更换周期，减少了维修的投入，并且 避免了管道崩裂事故。 对于电机和水泵来说，由于起动过程平缓，可运行在最佳工作状态， 不再产生“憋泵”现象，运行损耗小，发热大为降低，从而延长了使用寿命。 自动控制无人值守：无级调速、噪声小、压力稳定、稳压精度极高。 工作稳定，水泵电机由变频器软起动无冲击电流，有利于延长电机和水泵的寿命，也 避免了水锤。 完善的保护功能（过流、过压、过热、电机相间和对地短路等） ，多种报警输出。 手动工须运行控制，可以保证设备的安全连续运行。 2 变频恒压供水系统的发展 变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速技术在各个领域得到了广泛的 应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行 业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级 调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当 今最先进、合理的节能型供水系统。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来 越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本， 保证产品质量等方面有着非常重要的意义，在短短的几年内，调速恒压供水系统从早期的 单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。 国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的 td2100；施耐德公 司的 altivar58 泵切换卡；sanken 的 samco-i 系列；abb 公司的 acs600、acs400 系列产品； 富士公司的 g11s/p11s 系列产品；等等。这些产品将 pid 调节器以及简易可编程控制器的 功 能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。 恒压供水调速系统的系统的稳定性、可靠性、自动化程度，节能等方面这些优越性， 引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。 目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智 能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体 规划要求的必然趋势。 3 本课题所需工作： 本设计就是一针对一个建筑物的供水系统，采用变频器、pid 调节器、单片机、继电 器等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。组成一闭环 控制系统，对水泵出口压力进行控制，保持水压恒定。当用水量发生变化时，可调节水泵 速度，或启动第二台水泵，保证水压恒定。此控制系统具有生活、生产一体化的优点，高 共 44 页 第 7 页 装 订 线 效节能。本着节约成本的考虑采用继电接触式控制系统，由继电器，接触器等器件构成控 制回路包括自动、手动运行，多种保护、显示等。 共 44 页 第 8 页 装 订 线 第一章 系统组成及可行性分析 1.1 变频调速的基本原理 三相异步电动机电动势的有效值为，上式中，kw1 为定子绕组系数， m fnkwe 111 44 . 4 f 为定子电流频率，为定子每相绕组匝数，为每极最大主磁通。 1 n m 由上式可见，要使保持不变，就必须使与 f 比值保持不变，即/f= const,但是 m 1 e 1 e 的大小无法从外部电路中进行测量，从电机理论中我们知道，在忽略定子绕组的绕组压 1 e 降时，电动势与定子相电压相等，即：，从而得出/f= const。频率的下降会导 1 e 1 u 1 e 1 u 致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。若频率 上升，则磁通降低，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。显然这些都是不允许的为此， 要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制，也就是说调速装置输出的电压 和频率的比值应保持不变，因此这种变频器被称为 vvvf。 传统的笼型异步电动机调速方法有变频调速、调压调速、电磁转差离合器调速、液力 耦合调速。变频调速以体积小、重量轻、调速范围宽、通用性强、保护完善、可靠性高， 操作方便等优点后来者居上，成为交流电动机调速技术的主流，在国民经济各个部门以及 人民生活中都获得了广泛应用，经济效益和社会效益都非常显著。 1.2 变频恒压调速在供水系统中的应用 自从变频调速技术成熟发展以来在供水系统中也得到了很好的应用，恒压供水调速系 统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以 满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。 变频调速恒压供水设备的主要应用于下列场合 高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。 中央空调系统。 自来水厂增压系统。 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。 各种流体恒压控制系统。 1.3 系统工艺流程 采用三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，按此压力设定值变频调节水泵工况 是常用方式，这种方式的控制点在给水设备间里，管理维护都比较方便。 而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化 而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为 共 44 页 第 9 页 装 订 线 每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频 器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一 台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工 频运行，以满足不同的水量需求。如下图为恒压供水构成示意图 图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，变频恒压供水系统 压力传感器，把水压转换成 420ma 的模拟信号，通过 pid 调节器送入变频器，来改变 电动水泵转速。当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增 大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网 压力恒定在设定压力上；反之亦然。 1.4 控制要求及技术指标 三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，用变频器、调节器、继电器、接触器等 组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定。水泵的切换方式为：三台水泵作变频运行。 当第一级变频泵达到工频运行时，第二台备用泵变频启动。当第二台变频泵再次达到工频 运行时，第三台备用泵变频启动。停泵时依次停第一、二台泵。 参数要求为： 1、用水量：正常供水量 20 立方米/小时，最大供水量 55 立方米/小时，扬程 68 米。 2、用三台水泵供水。 3、控制压力为 0.3mpa，控制范围 0.3+0.02mpa，同时设定压力可调。 4、设定自动、手动。 5、各种所需保护。 6、面板上有压力、频率、电压等显示。 共 44 页 第 10 页 装 订 线 1.5 可行性分析，节电分析 在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力，室内用水量较大且不 均匀时，供水不足或过剩的情况时有发生。这种不平衡集中反映在压力上：用水多而供水 少，压力低。用水少而供水多，则压力大。若能保持供水的压力恒定，可使供水和用水之 间保持平衡，从而提高供水的质量。为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足 可采用采用变频恒压供水系统。 根据理论分析，当电源电压一定时，电机消耗的功率与其转速的立方成正比，即 3 )2/1(2/1nnnn 其中 n1 和 n2 是电机消耗的功率， n1 和 n2 是相应于 n1 和 n2 的转速。当水泵 的扬程一定时，其出水量与转速成正比，即： 2/12/1nnqq 其中，q1 和 q2 表示相应于 n1 和 n2 的水泵的出水量。因此在维持水泵压力恒定的条 件下，通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量，就可以大大节约电机所消耗的功 率而达到节能的目的。我国国家科委和国家经贸委中国节能技术政策大纲中把泵和风 机调速技术列为国家九五计划重点推 广节能技术项目。应当指出，变频恒压供水节能效果 主要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配，使变频 恒压供水具有优良节能效果，变频 恒压供水宜采用多泵并联供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水， 其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样： 当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增 大，变频泵转速自动上升；当变频泵转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变 频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供流量是恒定(工频转速恒压下 流量)，其余各并联工 频泵按相同原理投入。 一般的说，变频调速恒压供水方式用于生活供水，节电效率很高，可达 50% ，用于工 业供水则在 30% 40% 之间。例 一个居民小区的供水水泵功率为 15kw，每天维持水压 和小流量供水的时间约占全天的 2/3，这个时段消耗的电能约 120kwh，如果采取特别的 节能措施，起码节约 100kwh 的电能，一年下来就是 36000kwh，按每 1kwh 电能 0.65 元计算，每年可节约 2.34 万元。可靠性、使用寿命、整体造价是用户关心的问题，也是生 产厂家关注的问题。恒压供水控制器、变频器的质量好坏决定了设备的可靠性和使用寿命。 我公司主要采用国际知名品牌变频器和单片计算机为产品配套，生产中严格按照 iso9001:2000 规范进行检验，整套设备主要部件使用寿命一般在 10 年以上.。对于郊区或 农村用水量变化大的用户，变频调速恒压供水方式更加优越。 综上所述，此方案具备可行性。 共 44 页 第 11 页 装 订 线 第二章 系统设计 2.1 主电路设计 如下图为电控系统的主电路图。三台电机分别为 m1，m2，m3。接触器 km1，km3，km5 分别控制电机 m1，m2，m3 的工频运行;接触器 km2，km4，km6 分别控制电机 m1，m2，m3 的 变频运行;fr1，fr2，fr3 分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器; qf1，qf2，qf3，qf4 分别为三台水泵电机和变频器的低压断路器。qf 为总断路器。 主电路图 2.1.1 变频器的工作原理 实现变频调速的装置称为变频器。变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电 路以及控制器（mcudsp）等部分组成。 共 44 页 第 12 页 装 订 线 整流部分，如图所示 d1 d2 d3 d4 d5 d6，这六个二极管把三相整流成直流电，小功 率变频器一般直接使用整流二极管整流，某些品牌如西门子，abb 等欧洲品牌的变频器， 55kw 或以上变频器则采用半控或全控三相桥式整流；直流部分，由 c1 c2 r1 r2 组成直流 环节，主要作用是滤波，使电压保持稳定，以及承担整流与逆变部分能量转换；逆变部分， 有 vr1 vr2 vr3 vr4 vr5 vr6 组成逆变电路，这六个逆变开关管有规律的关断与导通，把 直流电变成频率与电压可调的交流电。首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤 波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使 逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电 压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的 控制，而满足变频调速对 u/f 协调控制的要求。 2.1.2 变频器的发展 变频器的发展今的变频器有突显的数值化，智能化特征。随着计算机技术的飞速发展， 人们对数字化信息的依赖越来越强。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为 了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统采用全数字化控制模式。单片机已 经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由 intel 公司 1983 年开发生产的 mcs - 96 系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型： 8196kb、8196kc、8196mc 等在通用开环交流调速系统中的应用较多。而且由于交流 电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益发展深化。 扩展卡尔曼滤波、fft、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等先进理论均广泛 应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。dsp 芯片被广泛的应用。如 ti 公 司的 mcs320f240 等 dsp 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。 最近 ti 公司推出的 mcs320f240x 系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线网络也扮演了相当重要的角色。std 总线、 工业 pc 总线、现场总线以及 can 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作 共 44 页 第 13 页 装 订 线 用。 2.1.3 电机运行的控制 三台电机分别为 m1，m2，m3。接触器 km1，km3，km5 分别控制电机 m1，m2，m3 的工 频运行;接触器 km2，km4，km6 分别控制电机 m1，m2，m3 的变频运行。每一台电机设低压 断路器和热继电器作为保护。手动状态下每个电机设置一启动按钮，一停机按钮自由控制 电动机的起停，每一台电机工频变频之间有互锁。在自动状态下电机之间工频变频之间的 切换由压力信号来控制。当频率达到上线，压力达到下限时，用压力信号来控制变频转工 频，同时启动下一台泵的变频，在压力达到上限时，控制停机，若三台泵都已启动则先停 m1 的工频，如果用水量还是较小，压力再次达到上限时停 m2 的工频，只留下 m3 变频运行。 若只有 m1，m2 运行，则先停 m1，留 m2 变频运行。当下次有压力下限信号来的时候 m3 变 频转工频，m1 工频再次启动，然后再次运行如前。若是 m3 工频，m1 工频，m2 变频的状态， 停机的时候是先停 3 号泵，再停 1 号泵，留 2 号泵变频运行。同理若 m2,m3 工频，m1 变频， 则先停 2 号泵，再停 3 号泵。如此往复循环起泵停泵。 2.1.4 工频变频切换与变频器工作的时序的关系 为了避免变频器在没有负载时依然有输出，在变频和工频的切换过程中，变频器可以 在适合的时候关闭，所用变频器有一个端子由继电器的常开触点控制，比如从一号机的变 频传工频再切换二号机的变频时，要求先断开接触器常闭触点，关闭变频器输出，然后通 过 km1 断开一号电机的变频，接通 km2 启动工频，再接通二号机的变频，最后才闭合变频 器上的常闭触点再次启动变频器，实现了无扰切换。 2.1.5 pid 调节器的应用和原理 （1）调节器的原理 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压 的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调 节器的输出信号一般是模拟信号，4-20ma 变化的电流信号或 0-10v 间变化的电压信号。信 号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系 统中，执行设备就是变频器。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积 分、微分控制，简称 pid 控制，又称 pid 调节。pid 控制器问世至今已有近 70 年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控 对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以 采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 pid 控制技 术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获 得系统参数时，最适合用 pid 控制技术。pid 控制，实际中也有 pi 和 pd 控制。pid 控制器 就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 （2）pid 的控制规律 比例（p）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号 共 44 页 第 14 页 装 订 线 成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（steady-state error） 。 积分（i）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对 一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（system with steady-state error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必 须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这 样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态 误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(pi)控制器，可以使系统在进入稳态后无 稳态误差。 微分（d）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化 率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原 因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变 化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近 零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够 的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变 化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚 至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微 分(pd)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 （3）pid 算法的数学模型 pid 控制的原理基于下面的算式: 其中: m(t): pid 回路的输出，是时间的函数; kc: pid 回路的增益; e: pid 回路的偏差(给定值与过程变量之差) ; minitial:pid 回路输出的初始值。 为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用 来计算输出值，数字计算机处理的算式如下: 其中: mn: 在第 n 采样时刻 pid 回路输出的计算值; kc: pid 回路增益; en: 在第 n 采样时刻的偏差值; en-1: 在第 n-1 采样时刻的偏差值(偏差前项); ki: 积分项的比例常数; minitial: pid 回路输出的初值; 共 44 页 第 15 页 装 订 线 kd: 微分项的比例常数。 由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存 偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为: 其中: mn: 在第 n 采样时刻 pid 回路输出的计算值; kc: pid 回路增益; en: 在第 n 采样时刻的偏差值; en-1: 在第 n-1 采样时刻的偏差值(偏差前项); ki: 积分项的比例常数; mx: 积分项前值; kd: 微分项的比例常数。 (2) pid 算法改进 cpu 实际使用以上简化算式的改进形式计算 pid 输出，这个改进型算式为: mn=mpn+min+mdn 其中: mn: 第 n 采样时刻的计算值; :第 n 采样时刻的比例项值; :第 n 采样时刻的积分项值; :第 n 采样时刻的微分项值; kc: 增益; spn: 第 n 采样时刻的给定值; pvn: 第 n 采样时刻的过程变量值; pvn-1: 第 n-1 采样时刻的过程变量值; ts: 采样时间间隔; td: 微分时间; ti: 积分时间; mx: 第 n-1 采样时刻的积分项(积分项前值)。 根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比 较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较， 从而形成闭环系统 （4）pid 控制的优点 原理简单，使用方便 适应性强，可以广泛应用于化工，热工，冶金，炼油以及造纸，建材等各种生产部门， 共 44 页 第 16 页 装 订 线 即使目前最新式的过程控制计算机，其基本的控制功能也仍然是 pid 控制 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 2.2 确定控制方案 用变频器、调节器、继电器、接触器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定， 原理如图所示 事先给定一个压力值 h0，h0 按用户的水压要求来设定，压力值可调，水泵启动后，压 力传感器测量水泵出口处的压力值 h，由于用水量大供水相对不足时压力会小，通过比较 器，所以当 h 低于 h0 时，控制器向变频器发送提高水泵转速的控制信号。反之，因为用水 量小，供水相对过剩时压力大，如果 h 大于 h0 时， 控制器则发送降低水泵转速的控制信 号。 电动机 n=60(1-s)f/p,电动机的转速和频率成正比，变频调速器则一次调节水泵工作 电源的频率，转变水泵的转速，从而达到了以给定压力值为参数的闭环恒压供水系统。变 频器采用 vvvf，即变压变频调速系统，因为在调节 f 时，为了保持调速时电机最大转矩不 变，需维持电机的磁通量恒定。这样就要求定子供电电压也要相应的调节。 变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停工作模式。这种供水模式中， 当供水流量少于变频泵恒压工频下流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流 量增大，变 频泵转速升高。当变频泵转速升高到工频转速 ，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到 由工频电网直接 供电(不变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入 工作。随用水 流量增大，其余各并联泵均按上述相同方式投入。为延长水泵电机使用寿命，所有水泵依 次循环起动运行。 控制系统分手动、自动两档。 2.2.1 手动运行 但台泵各设一手动和停机按钮，按下启动按钮接通水泵工频，有接触器长开按钮自锁。 停机时按停机泵，各台泵之间没有互锁，由值班人员自由控制起停 2.2.2 自动运行 压力信号与频率信号的关系 设置一个总开关，按下后先启动一号泵变频，因为只有先达到频率上限才有可能达到 压力下限，若达到压力下限频率上限肯定就已经满足了，频率上限是压力下限的必要条件， 所以由压力下限信号控制泵启动即可。同理频率到达下限时才有肯能达到压力上限，所以 共 44 页 第 17 页 装 订 线 用压力上限信号控制停泵。 启动 一号泵变频启动后，km1 得电，它的常开触点闭合，在信号回路中为接通 ka1 做好准 备工作，同时接通 ka15，ka15 的常开闭合，为压力信号回路的动作做好准备，当压力下限 信号来临的时候，为防止是不稳定的信号产生的抖动，加时间继电器 kt0 延时 5 s，若在 这 5 s 内压力下限信号消失，时间继电器失电则无法继续延时，触点也不会动作，若压力 下限信号保持 5s 以上，则时间继电器 kt0 的常开闭合，接通 ka9，ka9 得电，则 ka1 的线 圈可得电，后串在 m1 变频回路的 ka1 的常闭断开，切断 m1 的变频，为防止当变频还没有 切断工频就运行，这会导致变频器的输入和输出被串联，所以延时 2s 再接通 m1 的工频， 所以在 ka1 常开闭合时接通 kt1，它的常开是串在 m1 的工频回路中的，延时 2s 后，接通 km2，工频开始运行，km2 得电，它的常闭闭断开，和 km1 形成互锁，4 个常开闭合，第一 个形成自锁；第二个使得 km3 得电，接通 m2 的变频，m2 开始变频运行；第三个接通 ka16，ka16 的常开闭合为压力上限回路做好准备；第四个在信号回路中为接通 ka4 做好准 备。 如果供水量再次增大，一台工频，一台变频仍然无法满足要求。这时 km1 不带电，km3 带电，km3 的常闭为接通 ka15 和 ka2 做好了准备，压力下限信号再次来到，经 5s 的延时 再次接通 ka9，ka9 常开闭合，ka2 的线圈得电，ka2 的常闭断开，也就使 km3 失电，断开 了 m2 的变频运行。同理 ka2 常开闭合接通 kt2 延时 2s 后接通 km4，m2 开始工频运行，km4 得电，km4 的 4 个常开闭合，同 km2 一样，第一个形成自锁；第二个使得 km5 得电，接通 m3 的变频，m1 开始变频运行；第三个接通 ka16，ka16 的常开闭合为压力上限回路做好准 备；第四个在信号回路中为接通 ka5 做好准备。现在达到了最大供水状态，m1,m2 工频运 行，m3 变频。 如果停机过后，只有 m3 在变频运行，供水量再次增大的时候，m3 转工频，启动 m1 的 变频，具体过程如前所述。 停机 若供水量需求降低，管网压力上升，频率下降，到达了压力上限，需要停泵处理。现 在的状态，ka16,km2,km4,km5 得电，ka16 的常开闭合，为压力上限回路接通做好了准备， km2 的常开为 ka4 接通做好了准备，同时 km2 的常闭断开了 ka5 的回路，这样只有当 km2 失电的时候，ka5 才会接通，而 ka4 常闭是串在 km2 回路上的,ka5 的常闭串在 km4 回路上， 就实现了先停 m1,后停 m2，m1 没有停的情况下 m2 不能停机。 当压力下限到来的时候，为防止是不稳定的信号产生的抖动，加时间继电器 kt4 延时 5s，若在这 5s 内压力下限信号消失，时间继电器失电则无法继续延时，触点也不会动作， 若压力下限信号保持 5s 以上，则时间继电器 kt4 的常开闭合，接通 ka10，ka10 得电， ka10 常开闭合，接通 ka4，ka4 得电它的常闭断开，km2 回路被断开，km2 失电，失电后 km2 常闭重新闭合，为接通 ka5 做好准备，如果停一台泵不够，压力上限信号再次到来，同 理，接通 ka10,再接通 ka5，ka5 得电它的常闭断开，使得 km4 失电，断开 m2 的工频。此时 共 44 页 第 18 页 装 订 线 只剩 m3 一台泵变频运行。 也有可能压力上限来的时候并没有达到最大的供水状态，比如 m1 工频，m2 变频， km2 为接通 ka4 做好准备，则停泵时只会接通 ka4,断开 km2，km3 照样继续运行。而只有一 台泵变频运行的时候，不太可能达到压力上限。 综述 系统采用了时间继电器，为保证工作过程的安全和完善，采用不同的中间继电器，分 别控制不同水泵启动和停机，满足了各种工况。采用循环起停方式。 如图 2.2.3 保护和报警系统 主电路 三相总供电电路上设置一总空开，每一台电机设一空开。 过载保护，为了防止电动机因长期过载运行而使电动机绕组的温升超过允许值而损坏， 需用热继电器采用热保护。当某一个热继电器得电后常闭断开该热继电器接的上的控制电 路，常开闭合接通警铃报警，同时和 3 台电机对应的故障指示红灯亮。 水位达到下限时，亮水位下限指示红灯并自动停所有泵，警铃响。 故障报警时，有操作人员按复位按钮停掉报警铃声，打手动档，用非故障泵继续进行 供水，并对故障泵进行维修。 控制电路： 控制电路接通后有电源指示灯。每一台泵有运行指示灯，变频运行为绿色，工频运行 为黄色。 控制电路设一两级空开，一方面保护控制电路，一方面可以在检修或者故障时把它与 主电路断开，较之用熔断器有它的优势。 变频器： 变频器出故障的时候，在变频器报警输出口接报警指示灯，将变频器报警的常开触点 接到控制电路里去，若出现故障会接通继电器 ka7，会控制正在运行的电动机停机。 2.2.4 仪表显示 变频器上外接数字显示仪表可以显示频率值 压力值在调节器上可以显示，可显示给定值和当前值。 共 44 页 第 19 页 装 订 线 2.2.5 控制电路图 共 44 页 第 20 页 装 订 线 2.3 相关控制功能实现 自动平稳切换，恒压控制 共 44 页 第 21 页 装 订 线 主水管网压力传感器的压力信号 420ma 送给数字 pid 控制器，控制器根据压力设定值 与实际检测值进行 pid 运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。 由于采用继电接触式控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作 由于系统采用闭环恒压控制，电机在满足主水很容易网的压力的前提下，节能效果 显著； 通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量 共 44 页 第 22 页 装 订 线 第三章 设备选型 3.1 变频器选型 变频器选择水泵风机专用变频器，本设计本着经济的原则选择，选择国产深圳易能电 气的 eds2000 系列变频器，它具有优质的软硬件平台，方便快捷的操作模式，完善的辅助 控制功能，强大的控制功能。 电机功率为 11kw，电源供电为三相 380v，水泵专用变频器，故查产品手册选择变频器 eds2000-4t0110p/b,此变频器具有外接频率表显示端口 d0，可以用接触器来控制变频器的 起停，用 pwd 正转/停止端口实现。 3.2 水泵电机的选择 供水系统的水泵用离心泵比较合适， isw 型 0 卧式清水离心泵，供输送清水及物 理化学性质类似于清水的其它液体之用，适用于工业和城市给排水、高层建筑增压送水、 园林喷灌、消防增压、远距离输送、暖通制冷循环、浴室等冷暖水循环增压。所以在 这里选择上海沪工的卧式离心泵。 以最大用水工况选择水泵功率。要求的最大流量是 55 立方米/小时，扬程 68 米 所需功率计算公式，tghvp/ 其中为水的密度， g 为重力加速度， h 为扬程， t 用来换算单位， 1 小时=3600 秒。 kwp 2 . 10 3600 55*68*8 . 9*10*0 . 1 3 一共有三台水泵，用总需功率平均下来 可以使变频器的容量变小，可轮流工作。 ，三台泵选择一样的容量但要考虑效率，水泵电机的效率一般在 50%左kw kw p4 . 3 3 2 . 10 右，还有扬程至少要达到 68 米，流量要达到平均水平 20 立方米/小时，最后查产品手册选 择得出 上沪电机 isw50250（i）a，流量达 23.4 立方米/小时，扬程