LC控制的变频恒压供水系统

0引言常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民区生活供水，其设计均按最大用水负荷选择水泵，而每天24h用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备，可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，可节约大量能源，延长设备使用寿命。在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商企业通用汽车公司(GM)，为了适应汽车型号不断更新的需求，一再激烈竞争的汽车工业中占据优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求。根据招标要求，1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC(PDP-14型)，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时代。PLC的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上还实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。虽然PLC只有30多年的历史，但其发展势头迅猛，增长速度最快的工业控制器。PLC将向两个方向发展，一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化的方向发展。其中，大型化向着大存储容量、高速度、高性能、增加I/O点数方向发展。主要表现在：1)增强网络通信功能。2)发展智能模块。3)外部故障诊断功能。4)编程语言、编程工具标准化、高级化。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适时用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制其不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。针对这些问题，长期以来，人们一直在寻找PID控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理器的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。同时，随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了了新途径。近年来，出现了许多新型PID控制器，对于复杂对象，其控制效果远远超过常规PID控制。利用PLC、变频器以及PID控制的变频恒压供水能够节省占地面积，有益于环境保护，而且操作简单、维护方便、同时在最大程度上降低了电能的损耗和电机启停时对电网的影响，系统的建立是时间短抗干扰能力强，因此，PLC控制的变频恒压供水系统是现在化城市和生活小区供水较为理想的控制系统。1概述1.1课题的背景和研究的意义随着社会的飞速发展，人口的不断增长，近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)[1]。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，以PLC控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：1)供水量在短时间内(一天时间内)变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2)对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3)一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以PLC为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.2可编程控制器及变频调速技术在供水行业中的应用1.2.1可编程控制器的背景及特点早期的可编程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用[2]。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点：1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2)具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3)采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4)编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5)安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。1.2.2变频调速技术的发展及特点作为高性能的调速传动，直流发电机-电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用[3]。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电40％～60％，节水15％～30％。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。自从通用变频器问世以来，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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时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。在实际应用中得到了很大的发展。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。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，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。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1.3本文的主要研究内容经过系统的调研和分析，并结合供水厂的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒位产水一巨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，同时把阀门控制和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，运行参数有记录。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)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程序梯形图设计进行研究。2变频调速恒压供水系统分析2.1变频调速恒压供水系统方案的选择传统的供水方式(包括水箱、水塔供水和气压供水)。1)水箱/水塔供水：供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。2)气压供水：气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。3)变频调速恒压供水：变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵2～4台并联而成(以四台为例)。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。主要优点：对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合：高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。1)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。2)中央空调系统。3)自来水场增压系统。4)农田灌溉，污水处理，人造喷泉。5)各种流体恒压控制系统。变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。2.2变频调速恒压供水系统分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，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。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。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工况调节与这三者密切相关[4]。2.3变频调速的节能、调速原理水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图2-1所示，n为水泵特性曲线，A为管路特性曲线，H0为管网末端的服务压力，为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线A0汇交于b点，此时，水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图2-1节能分析曲线图Fig.2-1curveofenergy-savinganalysis1)水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡(A2)，水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。2)水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H1>H0，则h1即为水泵的能量浪费。3)水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵的相似原理：Q1/Q2=n1/n2(2-1)H1/H2=(n1/n2)*2(2-2)P1/P2=(n1/n2)*3(2-3)式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了启动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为：N=PQ(2-4)又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。2.4变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析2.4.1HYPERLINK\l"m241"管路水力损失及性能曲线管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即(2-5)沿程损失：(2-6)局部损失：(2-7)式中-管路沿程摩擦损失系数；-局部损失系数；L-管路长度(m)；-各局部损失的计算流速(m/s)；-过水截面的面积()。将式(2-6)和(2-7)代人(2-5)可得(2-8)式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的、、L、A等参数都能确定，S也就确定了。由式(2-8)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差(即实际扬程)加上管路损失。(2-9)由式(2-9)可以得到如图2-2所示的管路性能曲线。2.4.2水泵工作点的确定和调节1)水泵工作点的确定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，如图2-2所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线η-Q也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程、流量以及效率。从图中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，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。2)水泵工作点的调节交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：(2-10)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。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(V/F)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。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n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。图2-2水泵工作点的确定Fig.2-2atthepumpsworkidentified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n1降低到n2。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。泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。2.4.3HYPERLINK\l"m243"水泵变频调速节能分析水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图2-3中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1、B、Q1、0的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2、C、Q1、0的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。求出运行在B点的泵的轴功率：(2-11)运行在C点时泵的轴功率：(2-12)两者之差：(2-13)图2-3水泵节能分析图Fig.2-3pumpsofenergy-savingplans也就是说，采用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。2.5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。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50%～100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。启动频率一般来说，水泵在低速运行的意义并不大，有的水泵并不能从0Hz开始启动，所以，应该预置运转开始频率一下，变频器处于待机状态，一利于更好的节能。所以，在变频启动无过流的前提下，运转开始频率可预置的高一些，一般设定范围为0～20Hz(也可以通过预置下限频率来达到目的)。最高频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过额定转速10％(nx＝1.1nN)时，转矩将比额定转矩超过21％(Tx＝1.21TN)，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定转矩的，其最高频率只能与额定频率相等，fmax＝fN＝50Hz。一般来说，上限频率也以等于额定频率为宜，但有时也可以预置的略低一些，原因有二：1)变频器由于内部往往具有转差补偿功能，所以，在同是50Hz的情况下，水泵在变频运行时，实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；2)变频调速系统在50Hz下运行时，不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失，因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz最合适。下限频率：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率应定为30Hz～35Hz。3变频调速恒压供水系统的整体设计方案3.1变频调速恒压供水系统构成及原理构成[5]：本系统以由三台主水泵(1#泵、2#泵、3#泵)、一台辅助水泵(4#泵)、一台变频器，一台PLC、一个远传压力表及若干辅助部件构成，如图3-1所示。各部分功能如下：1)水泵用来提高水压以实现向高处供水；2)安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成4-20mA的电信号；3)变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；4)PLC用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的PID控制等；5)外围辅助电路可以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。图3-1变频调速恒压供水系统构成图Fig.3-1Thestructeuechartoftheconstantpressurewatersupplysystemwithchangingfrequencyandspeedabilities原理：原理图如图3-2所示。变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据[6]。图3-2变频调速恒压供水系统原理图Fig.3-2Principlechartoftheconstantpressurewatersupplysystemwithchangingfrequencyandspeedabilities当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被PLC检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当变频器下限信号持续出现一定时间，PLC再停掉一台工频运行的水泵电机，只剩一台泵用变频器控制供水，如果变频器下限信号还持续出现，则进入小容量的辅助水泵变频运行(特别适合深夜用水量较小时)[7]。3.2系统要求实现的功功能系统要求实现如下下功能：1)全自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电电，变频器输输出频率从00Hz上升，同时PID调节程序将将接收到自远远传压力表的的信号，经运运算与给定压压力参数进行行比较，将调调节参数送给给变频器，如如压力不够，则则频率上升，直直到50Hz，1#泵由变频切切换为工频，同同时对2#泵进行变频频启动，变频频器频率逐渐渐上升至需要要值，加泵依依次类推；如用水量减减小(压力过大)，变频器下下限频率持续续出现，则将将先启动的泵泵先切除。若若有电源瞬时时停电的情况况，则系统停停机。待电源恢复复正常后，系系统自动恢复复运行，然后后按自动运行行方式启动1#泵变频，直直至在给定水水压值上稳定定运行。变频频自动控制功功能是该系统统最基本的功功能，系统自自动完成对多多台泵软启动、停止、循循环变频的全全部操作过程程。2)手动运行当远传压力表故障障或变频器故故障时，为确确保用水，四四台泵可分别别以手动控制制方式工频运运行。3)停止转换开关置于停止止位置，设备备进入停机状状态，任何设设备不能启动动。4)采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当当一台单独运运行水泵或者者有两台同时时运行的水泵泵，运行在这这种状态下持持续时间达到到设定时间时时自动换泵运运行。“先启先停”是指哪一台台先启动的水水泵在压力过过大时也先被被切除，这样样保证系统的的每台泵运行行时间接近，防防止有的泵运运行时间过长长，而有的泵泵却长时间不不用而锈死，从从而延长了设设备的使用寿寿命。5)平稳切换，恒恒压控制远传压力表将主水水管网压力信信号经PLC的扩展模块PID运算送给变变频器，并给给出信号直接接控制水泵电电动机的转速速以使管网的的压力稳定。当当在运行的水水泵全速运行行，还未达到到给定压力时时，变频运行行的泵被切换换到工频运行行，变频器将将启动另一台台泵(即采用软启启动)。6)完善的各种种保护、报警警功能对工频电源和变频频电源在供电电控制回路上上实现机械和和电气互锁，防防止短路产生生。当水泵的的功率较大时时，为防止直直接启动电流流过大，需要要采用软启动动方法，即用用变频器来启启动水泵。运运行的水泵在在断开电源后后，利用其运运行的惯性切切换到工频，可可避免切换过过程中产生过过电流。电动机的热保护。虽虽然水泵在低低速运行时，电电动机的工作作电流较小，但但是当用户用用水量变化频频繁时，电动动机将处于频频繁的升速、降降速状态，这这时电动机的的电流可能超超过额定电流流，导致电动动机过热。因因此电动机的的热保护是必必须的。具有缺水保护功能能。当水泵工工作在自动状状态，为防止止当水池没水水时水泵空载载运行，烧坏坏水泵电机，系系统设计一缺缺水保护电路路。当水池缺缺水时，保护护电路中继电电器常开触点点断开，切断断控制电路电电源，从而保保护系统。7)满足用户在用水高高峰时的用水水要求根据用户最大用水水量和供水高高度的计算，本本系统采用扬扬程61m，流量12.6立方米每小小时，轴功率率5.5KW的主泵三台台；扬程48m，流量7立方米每小小时，配套功功率2.2KW辅泵一台。系系统最大功率率为16.5KW，扬程为61m。4变频调速恒压供水水系统的硬件件部分设计变频调速恒压供水水系统硬件部部分主要由变变频器、PLC、远传压力力表、气压罐罐、水泵等组组成，硬件部部分设计主要要包括以上设设备的选型和和主电路、控控制电路的设设计。4.1变频器的工作原理理和选择变频器是采用交--直-交电源变换换技术、电力力电子技术、微微电脑控制等等技术于一身身的综合性电电气产品，它它通过改变电电动机工作电电源频率从而而达到改变电电动机转速的的目的。它在在变频调速恒恒压供水系统统中起着非常常重要作用，是是水泵电机调调速的执行者者[8]。4.1.1变频调速基本原理理变频调速技术的基基本原理是根根据电机转速速与工作电源源输入频率成成正比的关系系：(4-1)式中，n表示电机机转速；f表示电源频率；s表示电机转差率；；P表示电机磁极对数数。通过改变电动机工工作电源频率率达到改变电电机转速的目目的。变频器器就是基于上上述原理采用用交-直-交电源变换换技术、电力力电子、微电电脑控制等技技术于一身的的综合性电气气产品。实际上，若仅改变变电源的频率率则不能获得得异步电动机机满意的调整整性能。因此此，必须在调调节的同时，对对定子相电压压也进行调节节，使与之间存在一一定的比例关关系。故变频频电源实际上上是变频变压压电源，而变变频调速准确确的称呼应是是变频变压调调速，其英文文术语为VariaableVVoltaggeVarriableeFreqquencyy，又简称为VVVF调速速器。根据与与的关系，变变频调速原则则上主要有以以下两种：1)恒转矩变频频调速(恒磁通变频频调速)由异步电动机的电电势方程知：：电动机定子子相电压近似似与电源、磁磁通的乘积成成正比。故若若一定时，则则必将随着的变变化而变。若若从额定值(我国通常为50Hz)往下调节时时，就增大。而而电动机在设设计时，为了了充分利用铁铁芯材料，一一般都把值选选在接近磁饱饱和和数值附附近。因此，的增大，就会导致磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的。反之，若从额定值往上调节时，就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险.为此通常要求磁通恒定，即与成正比关系，即(4-2)式(4-2)中，为电电动机在非额额定工况时的的定子电压和和电源频率。又由异步电动机的的转矩方程式式知，当有功功电流额定时时，一定时，电电动机的转矩矩M也一定，故故恒磁通即恒恒转矩。2)恒功率变频调速当电动机在额定转转速以上运转转时，定子频频率将大于额额定频率。这这时若仍采用用恒磁通变频频调速，则要要求电动机的的定子电压随随着升高。可可是电动机绕绕组本身不允允许承受过高高的电压，电电压必须限制制在允许的范范围内，这就就不能再应用用恒磁通变频频调速。在这这种情况下，可可以采用恒功功率变频调速速。根据推导导可知，恒功功率调速必须须满足以下两两个条件：定值(4-3)由于恒功率变频调调速时必将发发生变化，故故电动机效率率和功率因数数将有可能下下降。从上面对恒磁通和和恒功率的变变频调速特性性分析可以得得知，变频调调速从额定频频率往频率下下降的方向调调速时，即次次同步高速时时，应采用恒恒转矩(恒磁通)变频调速；变频调速从从额定频率往往频率增加的的方向调速时时，即超过同同步调速时，需需要采用恒功功率变频调速速[9]。4.1.2变频器的分类及各各种型式变频频器的特点变频调速系统的主主要设备是能能提供变频电电源的变频器器。变频器的的变流元件((电力开关元元件)目前使用的的主要有如下下4种：晶闸管(可控硅)、大功率三三极管(GTR，动力晶体体管)、可关断晶晶闸管(GTO可关断可控控硅)、二极管。变频器可分为交流流-直流-交流(简称交-直-交)变频器和交交流-交流(简称交-交)变频器两类类。交-直-交变频器是是先将工频交交流电通过整整流器整流成成直流；再把直流电电经逆变器变变成频率可调调的交流电。交交-交变频器将将电网的交流流电直接变为为电压和频率率都可调的交交流电。由于于交-交变频器的的输出频率一一般最高只能能达到电源频频率的1/2～1/3，所以它适用用于低速大功功率的传动，在在泵与风机的的调速节能中中迄今很少使使用。本文只只讨论交-直-交变频器。交-直-交变频器又分为电电流型和电压压型两种，两两者的主要区区别是中间滤滤波环节的滤滤波方式不同同。电压型变变频器采用大大容量的电容容器进行滤波波，直流回路路的电压波形形比较平直，输输出呈低阻抗抗，类似于电电压源。逆变变器中电子开开关的通断作作用实质是将将直流电压以以一定的方向向和次序分配配给负载电动动机的各个绕绕组，形成矩矩形波或阶梯梯形波的交流流电压。电流流型变频器则则采用大电感感的电抗器进进行滤波，直直流回路的电电流波形比较较平直，输出出呈高阻抗，类类似于电流源源。逆变器中中晶闸管等电电子开关的通通断作用实质质上是将直流流电以一定的的方向和次序序分配给负载载电动机的各各个绕组，形形成矩形波或或阶梯波的交交流电流。除上述电流型和电电压型变频器器外，70年代后期又又在电压型变变频器的基础础上发展出一一种脉冲宽度度调制(PWM)型变频器。以以单相变频器器通电型为例例，电压型变变频器输出的的电压波形为为矩形；而PWM型则是把电电压型的矩形形波分割成若若千个脉冲，若若适当选择脉脉冲个数和脉脉冲宽度，则则其输出波形形近和正弦波波相当。这就就减少了电压压中的低次谐谐波，减少了了谐波损失，扩扩大了装置系系统调速范围围，提高了电电动机在低速速运行时稳定定性。PWM型变频器根根据供给逆变变器的直流电电压是可变还还是恒定又分分为恒幅PWM型变频器和和变幅(脉冲幅值可可调的)PWM型变频器两两种。恒幅PWM型变频器是是由二极管整整流器，逆变变器组成，逆逆变器的输入入恒定直流电电压，通过调调节其脉冲宽宽度和输出交交流电压频率率来实现既调调压又调频，变变频变压都由由逆变器承担担。由于输出出电压由逆变变器决定，所所以恒幅PWM型变频器的的调节速度快快，系统的动动态响应好；；并且由于直直流电源由整整流桥整流得得到，所以无无需移相控制制，功率因数数高。这种变变频器的逆变变器的交流元元件可采用大大功率三极管管(OTR)(适用于中中小容量)或可关断晶晶闸管(GTO)(适用于大大中容量)。由于GTO和GTR均有自己关关断的能力，故故在变频调速速系统中可省省去复杂的换换流电路和换换流元件，从从而消除了电电路的换流损损耗，故恒幅幅PWM型变频器具具有高的调速速效率和可靠靠性。脉冲幅幅值可调的PWM型变频器，它它与普通电压压型变频器相相同，该电路路由可控硅整整流器，中间间滤波环节和和晶闸管(或其它换流流元)逆变器组成成，逆变器用用于频率的控控制。PWM型变频器虽虽多为上述电电压型的，但但近来也有电电流型的。电电流PWM变频器波形形的特点是把把宽的电流矩矩形波中间的的保留不动，而而把前后的波波形切成脉冲冲状。普通的电流变频器器的主要问题题是由于它的的输出电流为为矩形波，由由此产生的高高次谐波成分分将会对电动动机和电源产产生不良影响响。如使供电电电源质量下下降，电动机机的特性恶化化；电动机产生生转矩脉动问问题等。为了了减少高次谐谐波成分，除除了采用前面面所述的PWM技术以外，还还可采用多重重化技术，即即把多组电流流型变频器并并联起来，以以改善其输出出电流波形特特形。在泵与与风机调速节节能的变频调调速系统中现现己普遍采用用这一多重化化技术。由于变频调速在宽宽的转速范围围都具有高的的调速效率，所所以是一种很很有发展前途途的调速。在在德国，日本本等先进工业业国家，在泵泵与风机的调调节方面已普普遍应用变频频调速。4.1.3变频器的选型变频器的选择包括括变频器的型型式选择、容容量选择和变变频器箱体结结构的选择三三个方面。其其总的原则是是首先保证可可靠地满足工工艺要求，再再尽可能节省省资金。变频器的型式选择择根据控制功能可将将通用变频器器分为三种类类：普通功能型U/F控制变频器器、具有转矩矩控制功能的的高性能U/F控制变频器器知矢量控制制高性能型变变频器。变频频器类型的选选择要根据负负载的要求进进行。对于风风机，泵类等等平方转矩，低低速下负载转转矩较小，通通常可选择普普通功能型的的变频器。在在变频器选型型前应掌握传传动系统的以以下参数：1)电动机的极数。一一般电动机极极数以不多于于4极为宜，否否则变频器容容量要适当加加大。2)转矩特性。在同等等电动机功率率情况下，相相对于高过载载转矩模式，变变频器规格可可以降额选取取。3)电磁兼容性。为减减少主电源千千扰，使用时时可在中间或或变频器输入入电路中增加加电抗器，或或安装前置隔隔离变压器。一一般当电动机机与变频器距距离超过500m时，应在在它们中间串串入电抗器、滤滤波器或采用用屏蔽防护电电缆。变频器的选型应满满足以下条件件：1)电压等级与驱动电电动机相符。2)额定电流为所驱动动电动机额定定电流的1.1～1.5倍。3)根据被驱动设备的的负载特性选选择变频器的的控制方式。变频器容量选择：：变频器的容量可从从三个角度表表述：额定电流、可可用电动机功功率和额定容容量。其中后后两项变频器器生产厂家由由本国或本公公司生产的标标准电动机给给出，或随变变频器输出电电压而降低，都都很难确切表表达变频器的的能力。选择择变频器时，只只有变频器的的额定电流量量是一个反映映半导体变频频器装置负载载能力的关键键量。负载电电流不超过变变频器额定电电流是选择变变频器容量的的基本原则。变频器的额定功率率指的是它适适用的4级交流异步步电动机的功功率。由于同同容量电动机机，其极数不不同，电动机机额定电流不不同。随着电电动机极数的的增多，电动动机额定电流流增大。变频频器的容量选选择不能以电电动机额定电电流为依据。同同时，对于原原来采用变频频器的改造项项目，变频器器的容量选择择也不能以电电动机额定电电流为依据。这这是因为，电电动机的容量量选择在考虑虑最大负载，富富裕系数，电电动机规格等等因素，往往往电动机的容容量富裕较大大，工业用电电动机常常在在50%～60%额定负荷下下运行。若以以电动机额定定电流为依据据来选择变频频器的容量，留留有富裕量太太大，造成经经济上浪费，而而可靠性并没没有因此而得得到提高。变变频器与电动动机的匹配主主要是电动机机的额定电压压及电流，如如果电动机额额定电流小于于同功率的变变频器额定电电流，一般来来说用同等功功率的就足够够了，但如果果大了，只好好用大一级的的变频器。对对于鼠笼式异异步电动机，变变频器的容量量选择应以变变频器的额定定电流大于电电动机的最大大正常工作电电流1.1倍为原则，这这样可以最大大限度地节约约资金。在选选用变频器时时除了考虑技技术性和可靠靠性外还应考考虑经济性，一一般不要留有有太大功率余余量，变频器器与电动机两两者的功率应应相匹配，不不但经济性好好而且输出波波型更好。变频器箱体结构的的选用变频器的箱体结构构要与环境条条件相适应，即即必须考虑温温度，湿度，粉粉尘，酸碱度度，腐蚀性气气体等因素，这这些因素与能能否长期安全全、可靠运行行有很大的关关系。常见有有下列几种结结构类型可供供设计中选用用：1)敞开型IP00。本本身无机箱，适适合装在电控控箱内或电气气窒内的屏，盘盘，架上，尤尤其是多台变变频器集中使使用，选用这这种型式较好好，但环境条条件要求较高高。2)封闭IP20。适用一一般用途，可可用于有少量量粉尘或少许许温度、湿度度变化的场合合。3)密闭型TP65。适适用环境条件件差，有水，尘尘及一定腐蚀蚀气体的场合合。根据以上理论，选选用西门子MICROOMASTEER430型变频器。MICROMASSTER4330变频器是用用于控制三相相交流电动机机速度的变频频系列，特别别适合用于水水泵和风机的的驱动。本变变频器由微处处理器控制，并并采用现代先先进技术水平平的绝缘栅双双极晶体管((IGBT)作为功率输输出器件，因因此，它们具具有很高的运运行可靠性和和功能多样性性。其脉冲宽宽度调制的开开关频率是可可选的，因而而降低了电动动机运行的噪噪声。全面而而完善的保护护功能为变频频器和电动机机提供了良好好的保护。该该变频器易于于安装，参数数设置和调节节，具有牢固固的EMC设计。该变变频器具有以以下特性，如如表4-1所示[10]]。4.2可编程序控制器选选型PLC是该控制系系统的核心部部件，合理选选择PLC对于保证整整个控制系统统的技术指标标和质量至关关重要的。选选择PLC应包括PLC机型、容量量等的选择[[11][112]。PLC机型选择：：机型选择的基本原原则是在满足足控制功能要要求的前提下下，保证系统统工作可靠，维维护使用方便便及最佳的性性能价格比。表4-1MICROOMASTEER430变频器的额额定性能参数数表Tab.4-1RatinngperrformaancepparameeterttableofMIICROMAASTER4430trransduucer特性技术规格电源电压和频率范范围3AC380至4480V±110%，7.50KW--90KW输入频率47至63HZ输出频率0至650HZ功率因数0.98变频器的效率96%～98%控制方法V/F控制模拟输入1(AIIN1)0V至10V，0mA～～20mA和-10V～10V继电器输出3个可编程30VDDC/5A(电阻性负载载)，250VAC2AA(电感性负载载)防护等级IP20保护的特性欠电压，过电压，过负载，接地，短路，电动机过温，变频频器过温1)结构合理对于工艺比较固定定，环境条件件较好，维修修量较小的场场合，选用整整体式结构的的PLC。2)功能强弱适当对于开关量控制的的工程项目，若若控制速度要要求不高，一一般选用低档档的PLC，如西门子子公司的S7-2000系列机。PLC容量的选择择PLC容量主要是是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留留有适当裕量量。由于目前前I/O点数较多的PLC价格也较高高，若备用的的I/O点是数量太太多，将使成成本增加。根根据被控对象象的输入信号号和输出信号号的总点数，并并考虑到今后后的调整和扩扩充，通常I/O点数按实际际需要的考虑虑留10%～15%点数备用量量。根据系统要求和功功能，PLC选用西门子S7-200系列的CFU2224型。S7-2000系列的CPUU224型西门子可可编程序控制制器具有以下下特点：1)具有14个个输入点，10个输出点点。2)SIMENNSS7--200可编程序控控制器是模块块化中小型PLC系统，能能满足中等性性能要求的应应用。3)大范围的各各种功能模块块可以非常好好的满足和适适应自动控制制任务。4)方便用户和和简易的无风风扇设计。5)当控制任务务增加时，可可以自由扩展展。6)大范围的集集成功能使得得它的功能非非常强劲。7)PLC编程程采用STEP77-Microo/win，它是SIMATTICPLLC的视窗软件件支持工具，提提供完整的编编程环境，可可进行离线编编程和在线连连接和调试。4.3水泵及其电动机的的选择工作水泵型号和台台数的选择，应应根据逐时、逐逐日、逐季的的用水量变化化，要求的水水压，机组的的效率和功率率因素等确定定。水泵和电动机是供供水系统的重重要组成部分分，水泵选择择恰当与否和和动力费用有有很大的关系系，故须加以以重视。选泵泵时，首先要要满足供水系系统的要求：：1)水泵扬程应大于实实际供水高度度。2)水泵流量总和应大大于实际最大大供水量。3)水泵能力足以供应应最高用水量量时的用水量量，扬程应在在该泵特性曲曲线的高效工工作区内，以以减少耗电量量。4)水泵型号应使泵站站建筑面积和和泵站的基础础埋深为最小小，以降低泵泵站造价。5)水泵构造应使泵站站内管线简单单，以减少水水头损失。6)安装管理方便。安装卧式离心泵的的泵站，平面面尺寸较大而而高度较低；；立式轴流泵泵的泵站，情情况正好相反反，泵站的高高度较大而平平面尺寸较小小。因此在深深埋式的地下下泵站可优先先考虑立式泵泵，半地下式式和地面式泵泵站可用卧式式泵。选用多台水泵时，水水泵的型号最最好相同，这这可便于安装装和维修养护护管理。在此此例中要求三三台主泵和主主泵电机型号号和容量要相相同，这才有有利于在同一一变频器下正正常的工作。大大泵的效率比比小泵高；而而且用大泵时时，工作泵和和设备的费用用以及泵站的的面积常可减减小；因此不不可只从适应应水量的变化化出发，使用用数量较多的的小泵。使用用多台水泵供供水可防止一一台水泵出现现故障时，停停止供水使得得系统瘫痪。一一般最优的水水泵台数为3～6台。4.4电路设计4.4.1主电路图电气控制系统主电电路图如图4-1所示。图中中，M1#，M2#，M3#，M4#为四台水泵泵电机，KMM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8为控制四台台电机的接触触器，FR1，FR2，FR3，FR4为电机M1#，M2#，M3#，M4#过载保护用用的热继电器器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为空气开关关。图4-1主电路图Fig.4-1Drawiingoffmainncirccuit4.4.2控制电路图本系统的电气控制制线路如图4-2所示。图中中，SA为手动/自动转换开开关，在手动动状态可以按按动按钮SBB1～SB10控制四台泵泵的起停，在在自动状态时时，根据PLC的程序运行行，自动控制制泵的起停。HL1～HL8为各种运行行指示灯。中中间继电器KA1的一个常开开触点接PLC的输入点I0.2，控制自动动状态的起动动；中间继电器KA1的三个常闭闭触点接在四四台泵的手动动控电路上，控控制四台泵的的手动运行。FRl～FR4为四台泵机机的热继电器器的常闭触点点，可对电机机进行过流保保护[13]]。4.4.3PLC的外部接线图及其其I/O分配表本系统占用PLCC的3个输入点，8个输出点，PLC的外部接线线图如图4-3所示，PLC的具体I/O分配情况见见表4-2：图4-2控制电路图图Fig.4-2Drawiingoffconttrolccircuiit输入功能输出功能I0.0变频器高频信号Q0.0KM1(1号电机机接变频器))I0.1变频器低频信号Q0.1KM2(1号电机机接工频电源源)I0.2启动信号Q0.2KM3(2号电机机接变频器))Q0.3KM4(2号电机机接工频电源源)Q0.4KM5(3号电机机接变频器))Q0.5KM6(3号电机机接工频电源源)Q0.6KM7(4号电机机接变频器))Q0.7变频器运行、停止止信号3L变频器端子9表4-2PLCI/0分配表Tab.4-2DistrributeetablleofPLCII/O图4-3PLC外外部接线图Fig.4-3PerippheryconneectionncirccuitoofPLCC4.4.4变频器外部接线图图及相关参数数设置PLC的I0.11，I0.2接变频器的的端子19、21，L+接端子20、22，以便把变变频器上限频频率信号和下下限频率信号号送到PLC中。变频器器上限频率一一般设置为49～49.5HZ，下限频率率为防止水泵泵转速较低，形形成“空转”，一般设置置为25～30HZ。PLC的3L、Q0.7、分别接变频频器的端子9、5，以实现用PLC的信号控制制变频器运行行和停止。利利用变频器两两个的可编程程继电器输出出端口19、21进行功能设设定，当变频频器频率达到到上限频率时时，19的常开触点点闭合。当变频器频频率达到下限限频率时，21的常开触点点闭合，可以以此作为PLC的输入信号号，判断是否否进行加泵或或切泵。同时时PLC的输出端Q0.7作为变频器器的输入端5(设定为变频频器运行和停停止的控制端端)信号以控制制变频器的运运行和停止[[14]。4.4.5缺水保护电路当水池水位偏低时时，应停止供供水，否则水水泵处于空转转状态，长时时间会损坏水水泵。缺水保保护电路如图图4-5所示，HL为指示灯，HK为蜂鸣器，KA2为中间继电电器。当水池池缺水时KAA2失电，利用用其常开触点点切断控制电电路和常闭触触点进行声光光报警。图4-44变频器外部部接线图Fig.4-4Exterriorcconnecctionoftrransduucer图44-5缺水保护电电路Fig.4-5Proteectciircuittofllackoofwatter5变频调速恒压供水水系统的软件件部分设计5.1系统软件设计方法法对那些按动作的先先后顺序进行行控制的系统统，非常适合合使用顺序控控制设计法编编程。顺序控控制设计法规规律性很强，虽虽然编出的程程序偏长，但但程序结构清清晰、可读性性强。在用顺序控制设计计法编程时，功功能表图是很很重要的工具具。功能表图图能清楚地表表现出系统各各工作的功能能、步与步之之间的转换顺顺序及其转换换条件。5.2系统程序功能图为了能直观的了解解程序的设计计，在此画出出了程序功能能图，如图55-1所示，它能能清楚的表明明系统各个状状态动作的顺顺序和转化条条件。5.3系统程序设计分析析加启动信号(I00.2为“1”)后，如果水水池水位下限限没达到时，开开始起动程序序，此时由PLC控制使1#电机变频运运行(此时Q0.0，Q0.7亮)；如果变频频器达到频率率上限(即有输入I0.0为“1”)，则定时器T37开始计时(10s)，计时完毕毕后关闭Q0.0，Q0.7，延时1S，(延时是为了了两方面的原原因：一是使开关关充分熄弧，防防止电网倒送送电给变频器器，烧毁变频频器；二是让让变频器减速速为0，以重新启启动另一台电电机。以下各各切换时的延延时与此原因因相同，将不不再赘述。))延时完毕，则则1#电机投入工工频运行、2#电机投入变变频运行(此时Q0.1、Q0.2、Q0.7亮)；如果变频频器又达到频频率下限(I0.0为“1”)则定时器T39开始计时(10S)，计时完毕后后关闭Q0.2、Q0.7，延时隔1S，延时完毕毕后，则1#电机投入工工频运行、2#电机投入工工频运行、3#电机投入变变频运行(此时Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；这是一个个加电机的过过程。如果运行在1#电电机工频运行行、2#电机工频运运行、3#电机变频运运行(即有Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)的状态下，变变频器出现频频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T43开始计时(10秒)，计时完毕毕后关闭Q0.l，此时2#电机处于工工频运行、3#电机处于变变频运行(即有Q0.3、Q0.4、Q0.7亮)；如果变频频器又达到频频率下限(I0.1为“1”)，则定时器T45开始计时(10秒)，计时完毕毕后，关闭Q0.3，此时3#电机处于变变频运行(即Q0.4、Q0.7亮)。这是一个个切除电机的的过程。运行过程中，若变变频器频率没没有达到上、下下限，同时达到上、下下限后连续计计时没到设定定时间一样，PLC的输出稳定定在该状态下下，程序中切切除电机采用用了(“先投先停”)的原则，这这可以使各电电机的运行时时间和次数相相接近，从而而延长电机的的使用寿命。本本系统在投入入电机条件设设置为到达频频率上限后连连续计时10S，切除电机机条件设置为为到达频率下下限后10秒，这是为为了当运行着着的电机全速速运行压力还还低于给定压压力时，能尽尽快投入电机机使压力升高高，同图5-1程序功能图图Fig.5-1Charttofpprograamfunnctionn时防止当压力波动动时频繁切换换电机。当单独一台电机运运行于变频状状态时，如果果变频器达到到频率下限时时，开始计时时(10秒钟)，计时完毕毕，则切除该该电机和变频频器的运行，转转入容量较小小的辅助电机机变频运行((此状态Q0.6，Q0.7亮)。当变频器器的频率上限限信号持续出出现时，T52开始计时(10秒)，计时到，则则转入第一状状态的运行，即1#电机变频运行(此时Q0.0，Q0.7亮)。当用水量很少(如夜间用水)的情况下自动使容量较小辅助电机处于变频运行状态，这可达到节能目的。在本程序中还设计计了三台主电电机两种循环环切换的功能能。一种是一一台电机单独独处于变频运运行状态时，当当计时时间((4小时)到时，关闭闭该电机和变变频器，并延延时1S，延时到后后启动另一台台电机变频运运行，此切换换循环是：1#变频→2#变频→3#变频→1#变频；第二二种是有一台台电机工频运运行和一台变变频运行的状状态下，计时时时间(4小时)到时，把工工频运行和变变频运行的电电机切除，延延时1S，把原变频频运行的电机机接于工频运运行，变频器器起动另一台台没运行的电电机，此切换换循环是：1#工频、2#变频→2#工频、3#变频→3#工频、1#变频→1#工频、2#变频。程序序中的计时是是用时间脉冲冲SM0.4(该位提供一一个1分钟的时间间脉冲，30秒为1，30秒为0，周期为1分钟)和对脉冲进进行计数的变变量寄存器单单元YD260组成的。综合整个运行程序序，可以看出出实现三台主主电机的轮流流切换和与辅辅助电机的切切换，使整个个系统工作协协调，提高了了工作效率，并并延长了电机机的使用寿命命，充分合理理的使用四台台设备，满足足工作要求[[15]。5.4系统程序自动控制制过程表根据实际控制要求求，可列出自自动控制过程程表(如表5-1)。该表反映映了自动控制制过程中水泵泵工作状态和和状态变化过过程。在表中中为变频器工工作频率；为为变频器上限限工作频率；；为变频器的的下限工作频频率为()的时间；为()的时间；()为的允许时间间；()的允许时间间；T1为一台水泵泵运行要循环环切换的时间间；T2为二台水泵泵运行要循环环切换的时间间；T3为在压力满满足条件下辅辅助泵切换到到主泵的延时时时间。表5-1系统程序自自动控制过程程表Tab.5-1Autoccontroolcouurseoofsysstempprograam初始状态切换条件切换过程完成状态未开机开机Q0.0(ON))→KM1(OON)Q0.7(ON))→变频器(ON)M1变频运行表5-1(续))初始状态切换条件切换过程完成状态M1变频运行Q0.0(OFFF)、Q0.7((OFF)、延延时后Q0.1(ON))→KM2(OON)Q0.2(ON))→KM3(OON)Q0.7(ON))→变频器运行行M1工频运行M2变频运行M1变频运行Q0.0(OFFF)Q0.7(ON))→变频器运行行Q0.6(ON))→KM7(OON)辅助电机M4变频器运行M1变频运行Q0.0(OFFF)→Q0.7((OFF)--Q1.0((ON)→延时后Q0.2(ON))→KM3(OON)Q0.7(ON))-Q1.00(OFF))→变频器运行行M2变频运行M2变频运行Q0.2(OFFF)，Q0.7((OFF)，延时后Q0.3(ON))→KM4(OON)，Q0.4(ON))→KM5(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M2工频运行M3变频运行M2变频运行Q0.2(OFFF)Q0.7(ON))→变频器运行行Q0.6(ON))→KM7(OON)辅助电机M4变频器运行M2变频运行Q0.2(OFFF)、Q0.7((OFF)、延时后，Q0.4(ON))→KM5(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M3变频器运行M1工频运行M2变频频运行Q0.1(OFFF)→KM2(OOFF)M2变频运行M1工频运行M2变频运行Q0.2(OFFF)、Q0.7((OFF)、延时后，Q0.3(ON))→KM4(OON)，Q0.4(ON))→KM5(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1工频运行M2工频运行M3变频运行M1工频运行M2变频运行Q0.1(OFFF)、Q0.2((OFF)、Q0.7((OFF)延时后Q0.3(ON))→KM4(OON)，Q0.4(ON))→KM5(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M2工频运行M3变频运行M1、M2工频M3变频运行Q0.1(OFFF)→KM2(OOFF)M2工频运行M3变频运行表5-1(续))初始状态切换条件切换过程完成状态M2工频运行M3变频运行Q0.3(OFFF)→KM4(OOFF)M3变频运行M2工频运行M3变频运行Q0.4(OFFF)、Q0.7(OFFF)、延时后Q0.5(ON))→KM6(OON)，Q0.0(ON))→KM1(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1变频运行M2工频运行M3工频运行M2工频运行M3变频运行Q0.3(OFFF)、Q0.4(OFFF)、Q0.7(OFFF)延时后Q0.5(ON))→KM6(OON)，Q0.0(ON))→KM1(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1变频运行M3工频运行M3变频运行Q0.4(OFFF)、Q0.7(OFFF)、延时后Q0.5(ON))→KM6(OON)，Q0.0(ON))→KM1(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1变频运行M3工频运行M3变频运行Q0.4(OFFF)、Q0.7(OFFF)、延时后Q0.6(ON))→KM7Q0.7(ON))→变频器运行行辅助电机M4变频器运行M3变频运行Q0.4(OFFF)、Q0.7(OFFF)、延时后Q0.0(ON))→KM1(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1变频运行M1变频运行M2工频运行M3工频运行Q0.3(OFFF)→KM4(OOFF)M1变频运行M3工频运行M1变频运行M3工频运行Q0.5(ON))→KM6(OON)M1变频运行M1变频运行M3工频运行Q0.0(OFFF)、Q0.7(OFFF)、延时后，Q0.1(ON))→KM2(OON)，Q0.2(ON))→KM3(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1工频运行M2变频运行M3工频运行M1变频运行M3工频运行Q0.0(OFFF)、Q0.5、Q0.7(OFFF)、延时后，Q0.1(ON))→KM2(OON)，Q0.2(ON))→KM3(OON)，Q0.7(ON))→变频器运行行M1工频运行M2变频运行表5-1(续))初始状态切换条件切换过程完成状态M1工频运行M2变频运行M3工频运行Q0.5(ON))→KM6(OON)M1工频运行M2变频运行辅助电机M4变频运行Q0.6(OFFF)→Q0.0((ON)→KM0.11(ON)Q0.7(ON))→变频器运行行M1变频运行5.5系统程序梯形图设设计系统程序的关键在在于PLC程序的合理理性、可靠性性问题。根据据控制要求及及上述所列出出的自动控制制过程表和功功能图，本系系统设计出控控制程序。系统包括清清零程序，电电机切换程序序。电机切换换程序又包括括加电机程序序、减电机程程序和计时循循环切换程序序详细情况见见附录C[16][[17]。6PID算法在系统统程序中的应应用PID控控制具有使用用方便、适应应性强等优点点，是应用最最广泛的基本本控制方式之之一，在本系系统程序中也也被采用。在变频调调速恒压供水水的闭环控制制过程中，将将远传压力表表检测到的用用户管网中的的水压信号经经PLC的EM2355扩展模块转换为数字字信号，与用用户预设定的的信号进行比比较处理后，通通过PID计算得到频频率控制信号号传送给变频频器，变频器器按照信号调调整输出电压压，以控制水水泵的转速和和泵水量，从从而调节供水水量，使管网网出口处的压压力误差保持持在一定范围围内。6.1PLC的PID模模块分析研究究西门子公司从S77-200系列PLC中的CPU2215，CPU2116开始增加了了用于闭环控控制的PID模块。本系系统使用的是是德国西门子子公司的S7-200型PLC，主模块为CPU2226[18]]。在我们使用的PLLC中，是通过PID调节器来调调节输出，保保证偏差值e为零，使系系统达到稳定定状态。在系系统中，偏差差e是给定值SP(希望值)和过程变量PV(实际值)的差。PID控制的原理理基于式(6-1)所示的方程程，它描述了了输出M(t)作为比例项项、积分项和和微分项的运运算参数关系系。(6-1)其中：—PID回回路的输出，是时间的函函数；—PID回路的增益益；—PID回路的偏差差(给定值与过过程变量之差差)；—PID回路输出初初始值。为了在计算机中实实现这一这个个控制功能，式式(6-1)所描述的连连续函数必须须进行离散化化，即对误差差进行周期性性的采样并计计算输出值。离离