恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 論文（設(shè) 計(jì)） </p><p>　　題目：恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名 ： </p><p>　　學(xué) 號(hào) ： </p><p>　　專 業(yè) ： </p><p>　　班 級(jí) ： </p>

2、;<p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　摘要 本論文設(shè)計(jì)了以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合運(yùn)用變頻調(diào)速技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制，保證了供水系統(tǒng)隨時(shí)維持在最佳運(yùn)行狀況。系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、壓力變送器以及泵組等組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)供水量，采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速或加、減泵，自動(dòng)完成泵組軟

3、啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，這樣的切換過(guò)程有效地減少了泵的頻繁起停。</p><p>　　關(guān)鍵詞 變頻調(diào)速 恒壓供水 PLC </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 前

4、 言- 1 -</p><p>　　1.1 選題背景- 1 -</p><p>　　1.2 研究意義- 1 -</p><p>　　1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容- 2 -</p><p>　　2 變頻供水技術(shù)- 2 -</p><p>　　2.1 供水的模式- 2 -</p><p>　　2

5、.1.1 傳統(tǒng)供水模式- 2 -</p><p>　　2.1.2 變頻調(diào)速供水- 3 -</p><p>　　2.2 供水系統(tǒng)的基本特性- 3 -</p><p>　　2.3 變頻調(diào)速原理- 4 -</p><p>　　2.4 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理- 5 -</p><p>　　2.5 電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻原理

6、- 6 -</p><p>　　3 PID在恒壓供水中的應(yīng)用- 7 -</p><p>　　3.1 PID控制原理- 7 -</p><p>　　3.2 經(jīng)典PID控制及調(diào)節(jié)- 7 -</p><p>　　4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)- 10 -</p><p>　　4.1設(shè)計(jì)原理- 10 -</p><

7、p>　　4.2 系統(tǒng)方案- 10 -</p><p>　　4.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)- 12 -</p><p>　　4.3.1主回路設(shè)計(jì)- 12 -</p><p>　　4.3.2 PLC的 I/O點(diǎn)分配- 13 -</p><p>　　4.3.3 控制回路設(shè)計(jì)- 13 -</p><p>　　4.4 變

8、頻器- 14 -</p><p>　　4.5 軟件設(shè)計(jì)- 16 -</p><p>　　5 結(jié)論- 24 -</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)- 25 -</p><p>　　致 謝- 26 -</p><p><b>　　恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><

9、;p><b>　　1 前 言</b></p><p><b>　　1.1 選題背景</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著居民區(qū)的不斷擴(kuò)建與改造，樓房層數(shù)的不斷加高，我國(guó)居民用水難問(wèn)題越來(lái)越突出，特別是高層建筑居民，原有的自來(lái)水管網(wǎng)的壓力出現(xiàn)不足，大部分地區(qū)普遍存在著用水高峰期高層供水壓力不夠，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問(wèn)題，給生活帶來(lái)極大

10、的不便，特別在大城市這類問(wèn)題特別突出。針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了恒壓供水系統(tǒng)。 </p><p>　　1.2 研究意義 </p><p><b>　?。?）提高供水質(zhì)量</b></p><p>　　用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的

11、，因此供水不足和供水過(guò)剩的情況時(shí)有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多則壓力小，用水少則壓力大。保持供水系統(tǒng)的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，壓力保持恒定，從而提高了供水的質(zhì)量。</p><p><b>　　（2）節(jié)約能源</b></p><p>　　用變頻調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與調(diào)節(jié)出水口閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)

12、恒壓供水相比較，節(jié)能的效果是非常顯著的。以下是一凈水站的節(jié)能計(jì)算資料（采用單臺(tái)變頻器控制大泵）：配用變頻器前U1=380V，I1=526A，P1=200KW，配用變頻器后U1=380V，I1=421A，P1=160KW。 </p><p><b>　　1>電動(dòng)機(jī)節(jié)能計(jì)算</b></p><p>　　配用變頻器前

13、年消耗電能（按每天工作16h，每年工作300天計(jì)）</p><p>　　W1=200*16*300=960000KW.h 用變頻器后年消耗電能</p><p>　　W1=160*16*300=768000KW.h </p

14、><p><b>　　年節(jié)約電能</b></p><p>　　W=960000-768000=192000KW.h </p><p><b>　　2>年節(jié)能總計(jì)</b></p><p>　　如果每千瓦時(shí)電能的電費(fèi)按0.5元計(jì)

15、，則年節(jié)約電費(fèi)Y=0.5*192000=96000元。 </p><p>　　我國(guó)的資源目前已處于非常緊張的狀態(tài)，由以上分析可知，研究恒壓供水系統(tǒng)是非常有經(jīng)濟(jì)意義的。 </p><p>　　1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)了解了建筑物供水的基本方法，了解恒壓供水的原則、需要檢測(cè)的

16、參數(shù)及控制方式。選擇通用變頻器及PLC與壓力變送器等配置了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，通過(guò)FX2N系列PLC實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的調(diào)速控制。在了解了控制要求的情況下完成了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)分配和電氣控制系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)等，另外還完成了軟件的編制調(diào)試。 </p><p><b>　　2 變頻供水技術(shù)</b></p><

17、p><b>　　2.1 供水的模式</b></p><p>　　2.1.1 傳統(tǒng)供水模式 </p><p>　　傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)可分為重力供水和壓力供水。重力供水方式有水箱和水塔供水，壓力供水方式有氣壓供水。</p><p>　?、?對(duì)于氣壓式供水方式，壓力供水系統(tǒng)在地下室或某些空余之處設(shè)置水泵機(jī)組和氣壓罐等設(shè)備，采用壓力給水來(lái)滿足建筑物的

18、供水要求。氣壓供水系統(tǒng)是以氣壓罐利用密閉壓力將罐內(nèi)貯水送到管網(wǎng)中去，其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，污染少，有利于抗震，可消除管道中的噪聲。缺點(diǎn)是需要用金屬制造，其體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需使用張力膜或空氣壓縮機(jī)充氣，維護(hù)費(fèi)用高。 </p><p>　?、?對(duì)于水箱供水方式，需要將水箱置于屋頂?shù)淖罡咛?，在大型建筑中即使如此，還常常不能滿足供水要求，同時(shí)由于其存水量較大，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用了樓層建筑面

19、積，有礙美觀。此外，屋頂水箱必須高出屋面幾米，建筑立面較難處理，投資大，周期長(zhǎng)。 </p><p>　　⑶ 對(duì)于水塔供水方式，水塔供水在無(wú)人值守時(shí)，總要開(kāi)啟一個(gè)泵運(yùn)行，而且多個(gè)水泵不能自動(dòng)循環(huán)使用，不能均衡泵的使用壽命。此外，水塔供水容易造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性維護(hù)投入多。水塔供水需要專門的泵房，要有人值班，在用水高峰期要開(kāi)備用泵，而且只能人工調(diào)整壓力。該供水方式常造成水壓不穩(wěn)，水量不足。水塔供水

20、建筑投資和空間占有都比較大，且在火災(zāi)時(shí)不能很快起動(dòng)到消防所需壓力，不適合對(duì)壓力有特殊要求的場(chǎng)合[1]。</p><p>　　2.1.2 變頻調(diào)速供水 </p><p>　　自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速供水有

21、別于水塔式供水、高位水箱式供水、壓力罐式供水等各種傳統(tǒng)的供水方式。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，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)，保持水壓恒定，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速供水方式消除了高位水箱儲(chǔ)水環(huán)節(jié)，避免了水質(zhì)的二次污染。泵組及控制系統(tǒng)集中設(shè)在泵房，占地面積小，安裝快，投資省。采用閉環(huán)式供水方式，根據(jù)管網(wǎng)壓力信號(hào)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變量供水，水質(zhì)

22、穩(wěn)定，可靠性高。變頻調(diào)速供水方式中，水泵的轉(zhuǎn)速隨著管網(wǎng)流量的變化而變化且管網(wǎng)壓力恒定，能減少水能的消耗?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是可節(jié)電 40％～60％，節(jié)水15％～30％。另外，變頻調(diào)速水泵的啟動(dòng)為軟啟動(dòng)，減少了對(duì)水泵及電網(wǎng)的沖擊，且多臺(tái)泵組采用先投入，先退出的運(yùn)行方式，確保每臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間相同，能夠有效延長(zhǎng)泵組的使用壽命。 這種供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，

23、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自</p><p>　　2.2 供水系統(tǒng)的基本特性 </p><p>　　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)管的管路中的閥門開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，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2.1所示。由圖2.1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開(kāi)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，

24、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?，表明閥門在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Qu)。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服水泵系統(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[2]，由圖2.1可知，在同一閥門開(kāi)度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越小。由于閥門開(kāi)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，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qc之間的關(guān)系H=f(Qc

25、)。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)，如圖1中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Qc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。 </p><p>　　圖1 供水系統(tǒng)基本特性</p><p>　　2.3 變頻調(diào)速原理 </p><p>　　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

26、構(gòu)成。通常由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)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(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的[3]。 </p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： S=1-(n/n1)</p><p>　　異步電機(jī)的同步速度為： n1=

27、60f/p </p><p>　　異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： n=60f(1-s)/p</p><p>　　其中：n1為異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速； </p><p>　　n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； </p><p>　　f是異步電機(jī)的定子電源頻率； </p><p>　　p為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 </p>&

28、lt;p>　　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，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)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[4]

29、。</p><p>　　2.4 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 </p><p>　　由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓p及出水流量q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量q成正比；管網(wǎng)的水壓p與出水流量q的平方成正比。由上述關(guān)系可知，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比，如公式2-1所示:</p><p><b>　　( 2-1)&l

30、t;/b></p><p>　　式中：k,k1, k2 及k3均為比例常數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理如圖2所示。圖中曲線3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的運(yùn)行性曲線，曲線5為水泵轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的運(yùn)行特性曲線。水泵原來(lái)的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)A，此時(shí)出水流量為q1，管網(wǎng)水壓為p1，水泵轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)系統(tǒng)的

31、出水流量減小到q2時(shí)，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1，曲線1和曲線4的交點(diǎn)B為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)水壓為p2，水泵的輸出功率正比于p2×q2。由于p2>p1，高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過(guò)高的水壓對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，曲線5和曲線2的交點(diǎn)C為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的水壓仍保持為p1，出水流量為q2，水泵的輸出功率正比于p1×q2。從圖2.2中可見(jiàn)，陰影部分正比于浪

32、費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng)q2為q1的80%時(shí)，通過(guò)調(diào)速將n2調(diào)為n1的80%，則水泵的輸出功率為的51.2%。如不采用調(diào)速控制，48.8%的能量將被浪費(fèi)。可見(jiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀[5]。</p><p>　　圖2 變頻調(diào)速節(jié)能原理圖</p><p>　　2.5 電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻原理 </p><p>　　用單臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的軟起動(dòng)和調(diào)速時(shí)，由于用戶用水量的

33、不斷變化，電機(jī)時(shí)常需要在變頻和工頻之間切換。電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻原理如圖3所示，KM1,KM2為交流接觸器，M為水泵電機(jī)，BX，F(xiàn)WD，CM是變頻器外控端子，當(dāng)FWD-CM接通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)FWD-CM斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行停止；當(dāng)BX-CM接通時(shí)，變頻器斷開(kāi)所有輸出，電機(jī)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式，變頻器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必需保證BX-CM斷開(kāi)。當(dāng)KM1斷開(kāi)，KM2吸合，水泵在變頻器驅(qū)動(dòng)下，逐漸升頻（這一過(guò)程稱水泵電機(jī)軟起動(dòng)），當(dāng)變頻器頻率上升到50H

34、z后，如果系統(tǒng)水壓仍舊達(dá)不到壓力設(shè)定值時(shí)，自控系統(tǒng)將進(jìn)行水泵切換操作，斷開(kāi)KM2，吸合KM1，使該水泵電機(jī)直接接入電網(wǎng)電壓下運(yùn)行，變頻器在對(duì)另一臺(tái)水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，并進(jìn)行調(diào)速以保證系統(tǒng)水壓穩(wěn)定在設(shè)定值[6]。</p><p>　　圖3 電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻原理圖</p><p>　　3 PID在恒壓供水中的應(yīng)用</p><p>　　3.1 PID控制原理 </p

35、><p>　　根據(jù)反饋原理：要想維持一個(gè)物理量不變或基本不變，就應(yīng)該引這個(gè)物理量與恒值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。我們要想保持水壓的恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。但由于供水系統(tǒng)管道長(zhǎng)、管徑大，管網(wǎng)的充壓都較慢，故系統(tǒng)是一個(gè)大滯后、大慣性的系統(tǒng)，不易直接采用PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，而采用PLC控制和PID相結(jié)合的方法，在壓力波動(dòng)較大時(shí)使用模糊控制，以加快響應(yīng)速度；在壓力范圍較小時(shí)采用PID來(lái)保持靜

36、態(tài)精度。這通過(guò)PLC加智能儀表可時(shí)現(xiàn)該算法，同時(shí)對(duì)PLC的編程來(lái)時(shí)現(xiàn)泵的工頻與變頻之間的切換。實(shí)踐證明，使用這種方法是可行的，而且造價(jià)也不高。 </p><p>　　3.2 經(jīng)典PID控制及調(diào)節(jié)</p><p>　　PID控制是一種負(fù)反饋控制，它所組成的控制系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成，具有一般閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)負(fù)反饋?zhàn)饔檬贡豢叵到y(tǒng)趨于穩(wěn)定。PID控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。&

37、lt;/p><p>　　圖4 PID控制系統(tǒng)方框圖 </p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差： </p><p>　　e(t)=y(t)－r(t) (3－1)</p><p>　　將偏差e(t)的比例(Proportion)、積分

38、(Integral)和微分(Differential)，通過(guò)線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器[8]。其理想的控制規(guī)律為</p><p>　　u(t)=Kp[] （3-2）</p><p>　　對(duì)上式作拉氏變化可得：</p><p>　?。?（3-3）</p><p>　　PID控制器的傳遞

39、函數(shù)形式由式公式（3－3）描述。</p><p><b>　　（3-4）</b></p><p>　　式中： KP —比例系數(shù)</p><p>　　Ki=TiT—積分系數(shù)</p><p>　　KD=TTD—微分系數(shù)</p><p><b>　　Ti—積分時(shí)間系數(shù)</b><

40、;/p><p><b>　　TD—微分時(shí)間系數(shù)</b></p><p>　　PID控制器各個(gè)部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下[9]： </p><p>　　1.比例增益部分(P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，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，

41、但比例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　2．積分部分(I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關(guān)，</p><p>　　還與偏差持續(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。因此積分作用主要是用來(lái)消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti, Ti越

42、大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。然而，單純的積分作用速度太慢，無(wú)法及時(shí)對(duì)系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應(yīng)。</p><p>　　3.微分部分(D)可以對(duì)輸入的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無(wú)關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。它是用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，用來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個(gè)零點(diǎn)，如果使用不當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 </p>&

43、lt;p>　　PID的三種作用是各自獨(dú)立的，互不影響的。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單獨(dú)使用上面任意一種控制規(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)呐浜希梢允拐{(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)是使用它們的組合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法[10]。</p><p><b>

44、　　4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1設(shè)計(jì)原理 </p><p><b>　　圖5 設(shè)計(jì)原理圖</b></p><p>　　由設(shè)計(jì)原理圖圖5可知，系統(tǒng)是通過(guò)壓力變送器測(cè)量管網(wǎng)壓力，再傳給PLC系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)算以后，對(duì)變頻器發(fā)出控制信號(hào)，從而控制電機(jī)的啟停，來(lái)保持恒壓給水。恒壓供水泵站一般需

45、要設(shè)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵電機(jī)節(jié)能而可靠。配單臺(tái)電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠大，在用水量少時(shí)來(lái)開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的，電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水量則相應(yīng)的會(huì)不足。而且水泵與電機(jī)維修的時(shí)候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機(jī)供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)相應(yīng)的變頻器，從解決問(wèn)題方案這個(gè)比較簡(jiǎn)單和方便，電機(jī)

46、與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費(fèi)的角度來(lái)看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換的，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行，其余的水泵工頻運(yùn)行，以滿足不同的水量需求。</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)方案</b></p><p><b>　　確定系統(tǒng)方案如下：</b></p><p>　　

47、圖6 控制系統(tǒng)組成方框圖</p><p>　　一般供水系統(tǒng)三臺(tái)泵組成，故本變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器控制三臺(tái)水泵輪流切換?？刂葡到y(tǒng)組成方框圖如圖4.2所示, 3臺(tái)生活水泵功率為22kW。系統(tǒng)主要由三菱FX-2N系列PLC、三菱FR-A540變頻器、壓力變送器、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。其中水泵電機(jī)是輸出環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實(shí)現(xiàn)變流量恒壓控制。安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器將主水管網(wǎng)水壓，經(jīng)模擬量輸入模塊

48、，變換為4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，輸入PLC，PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊至變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持恒定；當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，變頻器的頻率上限信號(hào)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將下一臺(tái)備用泵用變頻器起動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供

49、水量保證壓力穩(wěn)定，第3臺(tái)泵則處于待機(jī)狀態(tài)，若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿足壓力的要求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，再將一臺(tái)備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速</p><p>　　4.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1主回路設(shè)計(jì) </p><p>　　采用一

50、拖多的方式，每臺(tái)電機(jī)水泵既可工頻運(yùn)行又可變頻運(yùn)行。主回路如圖7所示。</p><p><b>　　圖7 主電路圖</b></p><p>　　三臺(tái)電機(jī)分別為M1，M2，M3。接觸器KM2，KM4，KM6分別控制電機(jī)M1，M2，M3的變頻運(yùn)行；接觸器KM3，KM5，KM7分別控制電機(jī)M1，M2，M3的工頻運(yùn)行；FR1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)的過(guò)載保護(hù)的熱繼電

51、器；QS1，QS2，QS3，QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；FU1為主電路的熔斷器。</p><p>　　4.3.2 PLC的 I/O點(diǎn)分配 </p><p>　　由分析可以知道，系統(tǒng)共需開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)11個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)8個(gè)。輸入輸出信號(hào)地址分配如表1： </p><p>　　表1 PLC I/O 分配表</p><p>　

52、　4.3.3 控制回路設(shè)計(jì)</p><p>　　控制回路設(shè)計(jì)如下圖8所示。</p><p><b>　　圖8 控制回路圖</b></p><p><b>　　4.4 變頻器</b></p><p>　　變頻器的使用需要選擇其他外部設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行正確的連接和操作，不正常的系統(tǒng)配置和連接會(huì)導(dǎo)致變頻器不

53、正常工作，顯著的降低變頻器的使用壽命，甚至?xí)p壞變頻器。</p><p>　　變頻器需要的其他外部設(shè)備包括：在變頻器允許規(guī)格內(nèi)的電源、漏電斷路器或無(wú)熔絲斷路器、電磁結(jié)束器、電抗器、與輸出鏈接的設(shè)備。</p><p>　　漏電斷路器或無(wú)熔絲斷路器：由于電源投入時(shí)，變頻器會(huì)流入很大的沖擊電流故必須注意斷路器的選擇。</p><p>　　電抗器：為了改善功率因數(shù)或安裝場(chǎng)所

54、距離大容量電源很近時(shí)，必須使用電抗器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所選的FR-A540變頻器參數(shù)為： </p><p><b>　　功能功能范圍：</b></p><p>　　0.4-800KW(3相380V,FR-A540（L）系列），本設(shè)計(jì)中變頻器功率應(yīng)選大于22KW的。</p><p>　　采用先進(jìn)磁通矢量控制方式

55、，調(diào)速比可達(dá)1：120(0.5-60Hz)</p><p>　　可拆卸式風(fēng)扇和接線端子，維護(hù)方便。</p><p>　　柔性PWM,實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行。</p><p>　　內(nèi)置RS485通信口，可插擴(kuò)展卡符合全世界主要通信標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　PID等多種功能適合各種應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　FR-A540

56、外部結(jié)構(gòu)圖如下：</p><p>　　圖9 FR-A540變頻器外部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　FR-A540變頻器端子結(jié)構(gòu)圖如下圖10：</p><p>　　圖10 FR-A540變頻器端子結(jié)構(gòu)圖4.5 軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　Fx-pcs-winC320是三菱公司設(shè)計(jì)的在Windows環(huán)境下使用的PLC編程軟件，支持當(dāng)前三菱所有F

57、X系列的PLC進(jìn)行編程軟件。</p><p>　　該軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，具有豐富的工具箱和直觀形象的視窗界面。編程時(shí)，可用鼠標(biāo)進(jìn)行操作，大大減小了操作的復(fù)雜度，操作時(shí)可聯(lián)機(jī)操作也可脫機(jī)離線編程，該軟件可進(jìn)行梯形圖編程、指令表編程和SFC編程同時(shí)，該軟件還可以對(duì)以太網(wǎng)\CC-LINK等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，并且具有完善的診斷功能。</p><p>　　1 創(chuàng)建新軟件前應(yīng)選擇PLC型號(hào)FX2n/FX2N

58、C，如下圖11所示：</p><p>　　圖11 在電腦里選擇PLC型號(hào)</p><p>　　2 點(diǎn)擊確認(rèn)后即可進(jìn)行程序的編寫。 </p><p>　　此系統(tǒng)中變頻器用水高峰期3臺(tái)水泵一臺(tái)工頻運(yùn)行一臺(tái)變頻運(yùn)行另一臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)，并每周循環(huán)一次，編寫梯形圖如圖12所示。</p><p>　　圖12 PLC的編程圖</p>&l

59、t;p>　　程序?qū)?yīng)的指令表如下圖13所示:</p><p>　　圖13 PLC指令表5 結(jié)論</p><p>　　本次設(shè)計(jì)通過(guò)研究，對(duì)方案的一再改進(jìn)，基本符合了恒壓供水的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)達(dá)到了在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力，可以手動(dòng)啟動(dòng)和停止系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)控制給水量，降低成本。結(jié)合PLC的強(qiáng)大功能、便于操作和可靠性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的調(diào)速控制，及

60、工頻水泵的切除并聯(lián)運(yùn)行。恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。系統(tǒng)收回投資快，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。變頻技術(shù)打破了多年

61、來(lái)頻率不可改變的狀況，開(kāi)拓出一片非常廣的應(yīng)用空間?，F(xiàn)在，我國(guó)己有很多的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。但至今自行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品，水平仍然落后。我希望我國(guó)能開(kāi)發(fā)出屬于自己的先進(jìn)產(chǎn)品，如果我將來(lái)能在這一行業(yè)，做出自己的貢獻(xiàn)，將會(huì)感到莫大的榮幸，但是目前本人知識(shí)有限，在這次設(shè)計(jì)中</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1

62、] 宋序彤. 我國(guó)城市供水發(fā)展有關(guān)問(wèn)題分析. 城鎮(zhèn)供水，2001 9 (5):22～27</p><p>　　[2] 劉黎成,孫偉. 離心泵壓力自控調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能. 中國(guó)給水排水，1993 12 (11):58～61</p><p>　　[3] 趙相賓,劉國(guó)林.變頻調(diào)速和軟起動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展. 自動(dòng)化博覽，2000 20 (6):1～6</p><p>　　[4]

63、 丁學(xué)文,金大海. 交流電機(jī)變頻軟起動(dòng)時(shí)的問(wèn)題及解決方法. 電力電子技術(shù)，2003 </p><p>　　4 (6):1～5 </p><p>　　[5] 邱文淵,童國(guó)道. 國(guó)內(nèi)外變頻器技術(shù)的現(xiàn)狀及我國(guó)發(fā)展策略初探. 電子與自動(dòng)化，1998 </p><p><b>　　6 (3):1～5</b></p><p>　　[

64、6] 胡綱衡,唐瑞球. 高(中)壓變頻器應(yīng)用基礎(chǔ)講座 第三講高壓交頻器的切換. 變頻器世界，2004 7 (11):43～45 </p><p>　　[7] 郁漢琪.基于專家PID調(diào)節(jié)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2001，8(11):65～68</p><p>　　[8] 楊凌云. PID調(diào)制器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微機(jī)算計(jì)信息，1999 4 (5):49～51<

65、;/p><p>　　[9] 崔金貴. 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在建筑給水應(yīng)用的理論探討. 蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2003 14 (9):28～32 </p><p>　　[10] 田家山.水泵及水泵站.上海:上海交通大學(xué)出版社，1989.92～105</p><p>　　[11] 羅鎖玉. 南化自備水廠變頻改造實(shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)供水系統(tǒng). 電力需求與管理，2004 </p>

66、;<p>　　15 (10):43～44 </p><p>　　[12] 閆莉麗著. 基于PLC的多泵循環(huán)變頻恒壓供水系統(tǒng). 可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2006,(10)</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　首先我要向xx老師表示感謝，謝謝她對(duì)我的支持，不管是在學(xué)習(xí)上還是在生活上都給了我支持，我

67、要表示衷心的感謝！另外也要感謝教過(guò)我的所有老師，他們教給我很多的知識(shí)。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)是我大學(xué)學(xué)習(xí)生活中的最后一站，這次的設(shè)計(jì)又讓我學(xué)到了很多的東西，知識(shí)又有所豐富。另外也要感謝我的同學(xué)，在畢設(shè)期間我們對(duì)于一些問(wèn)題的探討，提高了解決問(wèn)題的能力，感謝他們?cè)趯W(xué)習(xí)和生活中曾給我的幫助與關(guān)懷。</p><p>　　大學(xué)里最重要的是培養(yǎng)了我學(xué)習(xí)的能力，在以后的生活中仍然會(huì)有很多需要解決