毕业设计02-基于S7-200楼宇恒压供水控制系统的设计 .doc
毕业设计02-基于S7-200楼宇恒压供水控制系统的设计
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机械机电毕业设计论文
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毕业设计02-基于S7-200楼宇恒压供水控制系统的设计 ,机械机电毕业设计论文
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浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源及其研究竞义 近年来，随着国民经济建设的蓬勃发展，城市居住小区的建设也犹如雨后春笋，纷纷拔地而起。城市给水系统的水量、水压如能随时满足居住小区用水要求，无疑应采用直接供水方式。然而我国某些城市的供水能力不足，城镇水厂发展速度滞后于居住小区建设发展速度，城市给水管道老化、输水能力下降，城郊供水水压不能满足用水要求的情况时有发生。水压不足，需采用加压设备进行增压。目前，恒压变频调速给水加压设备已成功地应用于居住小区给水增压系统且有明显的节能效果和经济效益。例 如：有一幢 10 层 （ 550 人） 的高层建筑，该楼宇第 6 层以上有居民 90 户 （ 270 人 ） 且每人每天用水 104.14 升 ，该建筑供水系统极不稳定，高峰期供水上不到第 7 层楼，无法满足居民的用水要求基于以上情况，该业主进行了供水系统的改造。本文在智能化要求的基础上，研究了 PLC及变频调速技术在该 楼宇 恒压供水系统电气控制中的应用，提出了供水系统的总体设计 方 案，并论述了硬件电路的设计和软件的实现方案。以及通过运行实测。分析了节能节水的效果。 本课题采用二次供水系统 PLC和变频调速技术研制 PLC控制变频调速自动恒压供水系统，与压 力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。每天 24 小时不间断按预先设定的水压恒定地向小区供水，保证居民的正常生活。通过该项目的研制和应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了 成本，减少设备维护，降低维修成本 :而且提高了整个小区生活质量。 1.2 水泵电机的调控技术 在小区的供水系统中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占很大的比例 ;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的 21%以上 3，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功 率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 1.2.1 调速控制节能分析 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时 流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量 ;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 2 - 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率 p 与管网的水压 H及出水流量 Q 的乘积成正比 ;水泵的转速 n 与出水流量 Q 成正比 :管网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率 p 与转速 n 的三次方成正比，即 : HQkP 1 （ 1-1） Qkn 2 (1-2) 23QkH (1-3) 3nkP (1-4) 式中 k 、 1k 、 2k 、3k为比例常数。 图 1.1 变频调速节能原理图 当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图 1.1所示。图中曲线 1, 2, 3 为管网阻力特性曲线，曲线 4为水泵转速为 1n 时的运行特性曲线 5为水泵转速为 n2时的运行特性曲线。 水泵原来的工作点为曲线 3和曲线 4的交点 A，此 时出水流量为 1Q ，管网压力为 H1，水泵转速为 1n 。当系统的出水流量减小到 2Q 时，系统管网特性为曲线 1，曲线 1和曲线4 的交点 B 为运行工作点。此时管网压力为 H2，水泵的输出功率正比于 22 QH 。由于12 HH .高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至 n2，曲线 5和曲线 2的交点 C为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为 H1，出水流量为 2Q ，水泵的输出功率正比于 21 QH 。从图中可见，阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当 2Q 为 1Q 的 80%时，通过调速将 2n 调为 1n 的 80%，则水泵的输出功率 2P 为 1P 的 51.2%。如不采用调速控制， 48.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。 1.2.2 常用的调速方式 水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式 : n = 0n (1-s )=pf60(1-s ) （ 1-5） 式中，0n：异步电动机的同步转速， r/min; n ：异步电动机转子的转速。 r/min ; p ：电动机的磁极对 数 ; nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 3 - f ：电源频率，电动机定子电压频率 ; s ：转速差 s = %10000 n nn（ 1-6） 改变电动机极对数 p 、改变转速差 s 及改变电源频率 f 都可以改变转速。 1.变 极 对数调速 在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数。 以电动机一相绕组为例，电流方向都是由 A指向 X，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数 p 。如果使 p =1, 2. 3 等，就可以得到0n=3000. 1500, 1000 r / min 等不同的同步转速，从而得到不同的转子 转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。 2.变频调速 变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。 改 变电动机定子频率 f 可以平滑地调节同步转速0n，相应地也就改变转子转速 n，而转差率 s 可保持不变或很小。但对电 动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转 :频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。 实现调频调压的电路有两种 :交一直一交变频器，交一交变频器 5,6。 (1)交一直一交变频器 它是由三个环节组成 :可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电路变为电压可调的直流电 :可控硅逆变电路，其作 用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电 :滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型 (简称 PWM )变频器技术获得了飞速的发畏。 PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。 (2)交一 交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交一交变频器由于直接交换，减少换流电路，减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。 变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。 3 可控硅串级调速 它是把异步电动机转子电势经过整流 -逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的 目的。 电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率 PM，一部分成为机械功率 P2(即 PN nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 4 - (1-S)，另一部分则成为转差功率 SPM，电动机正常运行时，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉，因为此时的转差率 S很小，转差功率也很小，但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升，可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。 串级凋速的最大优点是由于它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路 过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。 1.3 多泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容 1.3.1 多泵恒压供水系统中的关键问题 交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压 /频率 按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。 多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。 变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区 :一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者 像 软起动器一 样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换 ;另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。 1.3.2 本文的主要研究内容 经过系统的调研和分析，并结合楼宇供水情况，本次研究的主要内容和目标是基于PLC 的单台变频器（内置 PID）拖动多台电机变频运行的恒 压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节 达到最佳节能。具体而言，论文包括以下内容 : 1.对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述 ;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 2.从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点 (工况点 )的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频 调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。 3.PID算法在变频横压供水系统中的应用及如何选择变频器。 4. 通过对可编程控制器 PLC的端口介绍及软件分析为本论文的 PLC选择提供依据，并保证系统能有效的进行工作。 5.介绍了基于 PLC 的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经 PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 5 - 恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和 PLC程序设计进行研究。 1.4 本章小结 本章 首先本文介绍了课题的来源和研究意义，在查阅了大量相关文献和进行了许多调查研究的基础上，对水泵电机的各种调控技术及节能原理进行分析和比较，指出交流电机的变频调速作为一种有效的电机调速技术，能够提高生产自动化程度并大大节约能源。对于我国城市楼宇供水来说，应用此项技术能有效的提高生产管理水平和市场竞争力。 提出了本文的主要研究内容 :设计一套基于 PLC的变频调速恒压供水系统，对系统中水泵的工况调节、能耗机理以及电机的变频 -工频切换问题进行研究。对楼于居民的生活用水有了较好的保障。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 6 - 第 2 章 变频调速恒压供水系统 随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能 源。据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约 20-5O%其节能效果相当可观 12,49。采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、 高压罐供水系统相比， 具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少对水泵机组设备的冲击等优点 13。在讨论变频调速恒压供水的节能机理之前，有必要讨论分析水泵及水泵工况调节等相关理论。 2.1 水泵理论及水泵工况点确定的研究 水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中普遍采用的离心式叶片泵，也称离心泵。离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压 能，并沿着出水管输送出去。 2.1.1 水泵的工作参数 水泵工作参数共有六个，即 :流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中，流量、扬程和转速是基本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化 14。 1.流量 Q 水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。以 L/s(升 /秒 )、 m3/s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小时 )、 kg/s(千克 /秒 )、 t/s(吨 /秒 )等表示。 2.扬程 H 水泵扬程也称水头， 是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量 E， E2的差值表示，其单位以 m计。水泵扬程可用下式表示为 gVVHHZZEEH2)()(2122121212 （ 2-1） 式中， Z1 ,Z2-分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离，低于基准面时取负值 (m): H1 ,H2-分别为真空表、压力表读数 (m)； gV221 、gV222 分别为水泵进水口、出水口断面的流速水头 (m)。 3.功率 水泵功率有以下两种，有效功率 PM和轴功率 PN。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 7 - 有效功率 PM为泵内液体实际所获得的净功率 (kw)，可以根据流量和扬程来计算。 1000rQHPM (2-2) 式中 r 液体的比重 (kgf/m3) ; Q 一一液体的流量 (m3/s): H 一一一 水泵的扬程(m). 轴功率 PN 是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由动力机传给水泵轴上的功率 (KW)。轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功功率。 1001000100 rQ HPP MN (2-3) 式中， 水泵效率 (%)。 4.效率 有效功率与轴功率的比值为效率 . %100NMPP(2-4) 水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。 (1)机械损失与机械效率 机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以及叶轮在水中旋转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后，把剩下的功率传给所抽的水，这部分功率叫做水功率 PW。 thW HqQrP )( (2-5) 式中， )( qQ -流过叶轮的全部流量 ;q 漏损量 ; , thH-水泵理论 扬程。 机械损失的大小用机械效率表示 %100NWPP(2-6) (2)容积损失与容积效率 在流过叶轮的全部流量 )( qQ 中，除了出水量 Q 外，另有一部分流量 q ，经过减漏环的间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流回进水侧，以及经过填料函渗出泵外，流量q 带走的功率为 thL qHP （ 2-7） 剩下的功率是 LWS PPP （ 2-8） 容积损失 LP 只可用容积效率 r 表示 %100WSr PP（ 2-9） 将式 2-5,2-6,2-7,2-8 代入上式得 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 8 - %100)( qQ QHqQ QHththr （ 2-10） (3)水力损失与水力效率 水泵吸入室、叶槽、压出室中的磨擦阻力、旋涡及撞击等引起的水力损失，可用水力效率表示 %1 0 0ththWMS HHQHQHPP （ 2-11） 用WSNW PPPP乘以式子 (2.1.4)右端可得 srjSMWSNW PPPPPP （ 2-12） 由上式可见水泵效率，是三个局部效率的乘积。要提高水泵效率，必须尽量减少机械磨擦和漏水量，并力求改善过流部分的设计和提高制造、装配质量。 5.转速 n。 转速 n是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。 6.允许吸上真空高度yzH或临界气穴余量lh。 二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数，它们是 确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。 2.1.2 水泵基本性能曲线 水泵的六个工作参数，标志着水泵的性能。但各个工作参数不是静止孤立的，而是有一定的内在联系和变化规律。如将它们的变化规律用一组曲线表示，则这组曲线就称为性能曲线 (或称特性曲线 )。通常是将水泵转速 n在某一恒定值时，扬程 H，轴功率 PN，效率 和允许吸上真空高度yzH或临界气蚀余量 1h 随着流量 Q 而变化的关系绘制成各种性能曲线。 只有了解水泵的性能，掌握其变化规律，熟悉各种水泵性能曲线的特点，才能合理的选型配套，正确的决定水泵的安装高程以及解决水泵装置在运行中所遇到的许多的问题。 1.扬程与流量曲线 ( QH ) 流体在水泵叶轮内的运动关系可以用下式描述 : uWV (2-13) 式中， V -轮内流体的绝对速度 ;W -轮内流体的相对速度 ; u -轮内流体的牵引速度 (圆周速度 )。 水泵的理论扬程可用式 (2-14)表示 15 g VuVuH uuth 1122 (2-14) 11 u (2-15) 22 u (2-16) 式中， 1r ,1r -水泵叶轮进、出口半径 ;1u , 2u -水泵叶轮进、出口处的圆周速度 ;1uV. 2uV，-水泵叶轮进、出口处的绝对速度。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 9 - 从水泵的基本方程式可知，水泵流量与扬程是密切相关的。在叶片无限多时，式(2-14)经过进一步推导，水泵理论扬程可用下式表示。 kth QbDctguguH )(22222 （ 2-17） 式中， 2 -水泵叶轮出水口相对速度与圆周速度的夹角，由叶片的形状决 定 ; 2u -水泵叶轮出水 口圆周速度 ; 经验系数 ;kQ-水泵出水口流量。 式 (2-17)表示扬程随流量变化的关系，是一个直线方程。在离心泵中，当叶片的902 时， thH 随 kQ 的增加而减小。该直线在纵坐标为 H 的轴上交于gu222 ，直线的斜度取决于 2 的值， 如图 4-1 ( a)所示。当叶片为有限多时，理论扬程thH与thH的关系用式 (2-18 ) PHH thth 1（ 2-18） 进行修正、因此thH与kQ的关系仍然是一条直线，在纵坐标 H 轴上的交点为gpu)1(22。 如果号虑水泵内部的水力损失和水泵的泄漏量，最后可以得到水泵扬程 H 与 Q的关系是一条曲线。 2.功率与流量曲线 (NP-Q ) 轴功率NP是水功率WP与机械损失功率JP只之和，计算水泵理论扬程曲线所对应的功率即为水泵的水功率。把式 (2-17)代入式 (2-5)得 KKthW QQbDc tguguPP )(222222 （ 2-19） 对于离心泵来说， 902 ，WP- KQ 是一条向下弯的抛物线。机械损失JP几乎与流量无关，在WP- KQ 曲线上加上JP， 就得到 (NP- KQ )曲线。再从 PN-k曲线的横坐标上减去相应的 q 值，即得NP-Q 曲线。 3.效率与流量曲线 -Q 从己知的 H -Q 及NP-Q 曲线，按公式 ( 2-5 )，求得相应点的功率 值，即可绘 -Q 曲线。 理论性能曲线，只能做为定性分析和比较之用，目前还不能定量确定，在实用时还必须用实测的方法来绘制性能曲线。水泵样本中所绘出的性能曲线，均为实测或根据模型试验换算而来的。 在水泵额定转速时，或叶片 在设计安放角时，以 Q 为横坐标，以 H 、NP、 、yzH或 1h 为纵坐标，画出的 H -Q ,NP-Q ， -Q ,yzH-Q 曲线称为基本性能曲线。 2.1.3 水泵理论工况点的确定 水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程。这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和水泵工况调节与这三者密切相关 15。 1.管路水力损失及性能曲线 管路水力损失分沿程损失 和局部损失两种， jys hhh （ 2-20） 沿程损失表达式为 : nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 10 - 2LQh y （ 2-21） 式中v 管路沿程摩擦损失系数 L 管路长度，包括进出水管总长，如进出水管管径不同时，应分别计算其沿程损失。 局部损失之和的表达 式 : 222 22 QgAgvh jjj （ 2-22） 2222 2 SQQgALQh js （ 2-23） 当上下水位确定后，管路所需要的水头就等于上下水位差 (即实际扬程 )加上管路损夫。 sssx hhh （ 2-24） 2.水泵工作点的确定 水泵工作点 (工况点 )是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。 如果把某一水泵的性能曲线 (即 H -Q 曲线 )和管路性能曲线画在同一坐标系中图2.1，则这两条曲线的交点 A,就是水泵的工作点。工作点 A 是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在 A点。若把水泵的效率曲线 -Q也画在同一坐标系中，在图 2.1中可以找出 A点的扬程 AH 、流量 QA以及效率 A 。 图 2.1 水泵工作点的确定 从图 2.1中可以看出，水泵在工作点 A点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。 一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行。 工作点的参数， 反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。 2.2 水泵工况的调节 在选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，这就必须采用改变管nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 11 - 路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下 16。 1.车削调节 沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范围，这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围，否 则原来的构造被破坏，使叶片末端变粗，使叶轮和泵壳之间间隙过大，增加回流损失，以致水利效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。 2.变角调节 通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵，因此这里不作详述。 3.节流调节 对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的 H -Q 曲线朝着流量减小的方向移动。闸阀关得越小，附加阻力越大，流量就变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节流调节。 图 2.2 恒速泵工况节流调节图 从图 2.2可以看出，恒速泵水泵的初始工作点在 A点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需的水头、流量相等。由AOQAH0必四点所围的面积表示水泵在工作点 A的轴功率。 当管网所需流量减少时，即从 AQ 降至 BQ ，必须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出水流量，使之与管网所需流量相等，否则会造成管网过载而造成爆管的危险。当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，管网特性曲线由曲线 1 变为曲线 2，水泵的工作点则沿着水泵性能曲线由 A 点移至 B 点，此时工作点 B的轴功率即为01OQBH。四点所围的面积。 当把闸阀关小时，水泵所供应的能量有一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。节流调节虽不经济，也不准确，但由于简单、易行，在 水泵性能试验中，仍被广泛使用。在实际生产中，可用来防止过载和气蚀。 4.变速调节 变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩大水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相似理论的应用。由节 2.3.1可得到 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 12 - 22121 )(QQHH （ 2-25） 即 kQHQH 2222112kQH （ 2-26） 式 (2-26)所表示的曲线称为相似工况曲线。 2.3 变频调速恒压供水能耗机理分析 2.3.1 水泵工况的调节过程 交流电动机的转速 n与电源频率 f具有的关系如下 : )1(60 spfn （ 2-27） 式中， p -极对数 ;s -转差率 因此不改变电动机的极对数，只改变电源的 频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 no 改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过 VVVF 降低交流电的频率，电动机的转速从 1n 降低到 2n 。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速 n ，可使供水泵流量 Q,扬程 H和轴功率N以相应规律改 变 17 1212 / nnQQ (2-28) 21212 )/(/ nnHH (2-29) 31212 )/(/ nnNN (2-29) 从上述比例律公式中消去 12/nn :就得到式 (2-25)及 (2-26 ) 式 2kQH 是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f 来改变电机的转速 n ，从而改变水泵性能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图 2.3来说明。 图 2.3 变频调速恒压供水水泵工况调节图 由图 2.3可见，设定管网压力值图 2.3(扬程 )为0H，管网初始用水量为 QA，初始工况点为 A，水泵电机的转速为 n ,，工作点 A的轴功率即为AOQAH0四点所围的面积。当nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 13 - 管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 4-20mA 电流信号送往 PID调节器，经比较处理后，输出一个令变频器频率降低的信号，从而降低电机转速至 2n ，水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点 A移 至 B点在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小 .。恒压供水系统中压力值恒定在0H，因此水泵工作点又沿着转速 1n 所对应的水泵性能曲线从点 B 移至 C 点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点 C点，在图 2.3 中可以找出 C点的扬程CH、流量CQ以及效率C，工作点 C的轴功率即为COQCH0四点所围的面积。 考察水泵的效率曲线 -Q ，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行 18,37。 2.3.2 水泵工况调节与传统节流调节能耗之比较 若把水泵工况点的节流调节和变速调节画在同一个坐标系中，可用图 2.4表示，考察比较二者的能量损耗。当管网负载减小，管网压力升高，管网所需流量减少，即从 AQ必降至CQ时，对恒速泵的节流调节来说，水泵工况点沿着水泵性能曲线 1n 自 A点降至 D点，水泵在工作点 D的轴功率即为COQDH1四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为COQFH2四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为 DH,HZF 四点所围的面积，这部分能量损耗用于克服闸阀的附加阻力。对变频调速恒压供水来说，水泵工况点先沿着水泵相似工况曲线自 A点降至 B点，再沿着水泵性能曲线 2n 自 B 点上升至 C点，水泵在工作点 C的轴功率即为COQCH0四点所围的面积，而此时管网中所需的能量仅为COQFH2四点所围的面积，因此水泵提供的多余的轴功率为 FHCH20。二者进行比较，不难看出在相同的管 司流量需求CQ下，变频调速恒压供水中水泵消耗的能源少于恒速泵节流调速所消耗的能源，节约的能 耗为 FHDH 21 四点所围的面积减去 FHCH20四点所围的面积，即为 CHDH01四点所围的面积。 图 2.4 水泵工况点节流调节和变速调节能耗比较图 由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 14 - 2.3.3 调速范围的确定 考察水泵的效率曲线 -Q ，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行 19。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，也就是说转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 2O%-100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效 区。 2.4 本章小节 水泵的工作点就是同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点，由于水泵工作点是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点 (工况点 )的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出了以下结论 : 1、水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移 动工作点，使其符合要求。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。 2、分析水泵工况点节流调节和变速调节能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能。 3、考察水泵的效率曲线 -Q ，水泵转速的工况调节必须限制在 一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。实际配泵时扬程应没定在水泵的高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，转速下降在 20%以内。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 15 - 第 3 章 内置 PID 变频器 在生产过程自动控制的发展历程中， PID 控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。在本世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。 PID控制具有很多优点 39 。 算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方 式实现 ; 适应性强，可以广泛的应用于各种行业 ; 鲁桥性强，它的控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 由于其有这些优点， PID控制直到现仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。 3.1 PID 控制及其调节规律 3.1.1 经典 PID 控制及调节 PID 控制是一种负反馈控制，它所组成的控制系统由 PID 控制器和被控对象组成，具有一般闭环反馈控制系统的结构，通过负反馈作用使被控系统趋于稳定。常规 PID控制系统原理框图如图 3.1 所示。 PID控制器综合了关于系统过去 (I)、现在 (P)和未来 (D)三方面的信息，对动态过程无需太多的预先知识，控制效果能够满足要求。 图 3.1 PID 控制系统原理 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 y(t)构成的控制偏差 )()()( trtyte （ 3-1） 将偏差。 )(te 的比例 (Proportion)、积分 (Integral)和微分 (Differential)，通过线性组合构成控制器，对被控对 象进行控制，故称 PID控制器。其理想的控制规律为 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 16 - )()(1)()(1 dttdeTdtteTteKtuDP （ 3-2） 对上式作拉氏变换可得 : )()()()( 1 SSETS SETSEKSU DP （ 3-3） PID控制器的传递函数形式由式 (4.1.4)描述 SKSKKSTTKSE SUSG DPDSP 11)11()( )()( （ 3-4） 式中 PK 称为比例系数 ; 11 TTK 称为积分系数 ; TTK D1 称为微分系数 ; 1T 为积分时间常数 ; DT 为微分时间常数 PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下 23,25,39。 1、比例增益部分 (P)用于保证控制量的输出含有与系统偏 差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 2、积分部分 (I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数 1T ，1T 越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。 3,微分部分 (D)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。 PID 的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一 种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如 PI控制算法， PD控制算法和 PID控制算法。 3.1.2 数字 PID控制 随着计算机技术的发展，越来越多的系统采用数字控制。计算机对来自 A/D转换器的信号进行比例、积分和微分变换处理，既能消除静差，改善系统的静态特性，又能加快过渡过程和提高系统的稳定性，改善系 统的动态特性 23。数字控制器的经典设计方法有两种 :连续设计法和离散设计法。 通常在模拟 PID算法的基础上，通过离散化处理就得到数字 PID的公式。 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（论文） - 17 - nidP neneTTieTTneKnu01)1()()()()( （ 3-5） 式中， T 为采样周期 (或控制周期 )， n 为采样序号， n =1,2,.， )1( ne 和 )(ne 分别为第 1n 和第 n 次采样所得的偏差信号， )(nu 为第 n时刻的控制量。 在模拟控制器中难以实现的理想微分的 de/dt，在计算机中可以利用其差分方程很好的实现，因此式 (3-5)也称为理想微分 PID数字控制器。 1位置式 PID算式 模拟仪表调节器的动作是连续的，任何瞬间的控制量输出 :都对应于执行机构的位置。从 (3-5)可知，数字 PID控制器的输出 )(nu 也和位置对应，因此称为位置型算式。 2.增量式 PID算式 增量式 PID算法就是让计算机输出相邻两次调节结果的增量。 101)2()1()()1()1( njdP neneTTieTTneKnu )2()1(2)()()1()()( 1 neneneKneKneneKnu dP )()1()( nununu (3-6) 增量型算式仅仅是在计算方法上作了一点改变，并未改变增量型算式的本质。由于算式不进行累加计算，增量只与最近几次采样 容易获得较好的控制效果。 3.2 数字 PID 控制器的设计 控制系统设计中最重要的一类就是如何根据控制目标，设计适当的控制算法满足给定的系统性能指标。数字控制器的设计通常有两种方法 :模拟设计法和离散设计法 23。 模拟设计法是将数字控制器作为模拟控制器，采用连续系统的设计方法，首先设计模拟控制系统的模拟控制器，使模拟控制系统性能指标满足。然后采用离散化的方法将设计好的模拟控制器离散化成数字控制器，最后构成数字控制系统。该方法在采样周期较大时，系统实际达到的性能往往比预计的设计指标差。 离散设计法则首先将图 4-1所示系统中的被控对象加上保持器一起构成的广义 对象离散化，得到相应的以脉冲传递函数，差分方程或离散系统状态方程表示的离散系统模型。然后利用离散控制系统理论，直接设计数字控制器。这种方法是目前采用较为广泛的控制器设计方法。 3.3 本系统内置 PID 变频器选择 近 20年来，以功率晶体管 GTR为逆变功率器件、 8位微处理器为控制核心的、按压频比 Ulf控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。 3.3.1 变频器输入输出接口 本系统选用的变频器为三菱公司的三菱 FR- F540- 22K-CH变频器 (U)系统，变频器端子 为如图 3.3所示： 3.3.2 变频器的外围设备选择 通常变频器的外围设备如图 3.2 nts浙江工业大学浙西分校信息与电子工程系毕业设计（
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