1課題的背景及意義隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人們對供水的質量和安全可靠性的要求不斷提高。而用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如發生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。把先進的自動化技術、通訊技術、網絡技術等應用到供水領域，成為對供水企業新的要求。在大力提倡節約能源的今天，研究高性能、經濟型的恒壓供水監控系統。所以，對于某些用水區提高勞動生產率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。1.2本課題研究的目的及意義變頻調速恒壓供水技術以其節能、安全、供水高品質等優點，得到了廣泛應用，恒壓供水調速系統可依據用水量的變化（實際上為供水管網的壓力變化）自動調節系統的運行參數，保持水恒定以滿足用水要求，是當今先進、合理的節能型供水系統，在短短的幾年內、調速恒壓供水系統經歷了一個逐步完善的發展過程，早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替，投資更為節省，運行效率提高，成為主導產品。自從通用變頻器問世以來，變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調速恒壓供水設備以其節能、安全、高品質的供水質量等優點，使我國供水行業的技術裝備水平從90年代初開始經歷了一次飛躍。恒壓供水調速系統實現水泵電機無級調速，依據用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量的變化自動調節系統的運行參數，在用水量發生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節能型供水系統。恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如發生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。在實際應用中得到了很大的發展。隨著電力電子技術的飛速發展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻調速恒壓供水設備，降低成本，保證產品質量等方面很有潛力，恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時缺水時，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以某些用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。1.3課題研究的內容生產和生活用水需通過水廠送至各供水點然后增壓提升送至廠房或辦公住宅。水廠的一級泵站及二級泵站以及廠房和辦公住宅小區的多泵控制都可分別用PLC與變頻調速器來共同實現供水控制系統的。高層恒壓供水是現代城市高層建築龍網zhuiongrcom筑的一項主要配套工程，它具有供水模式變換多、水壓穩定、自動保護等特點，可以廣泛應用于工業及民用建筑中。PLC控制的高層恒壓供水系統采用了數字PID控制技術，使PID的參數整定和調整實現在線控制，通過對系統壓力的檢測，根據水壓的大小使系統分時對正常工作和消防供水兩種分別采用PID控制，使系統實現了快速、穩定的輸出。將管網的實際壓力經反饋后送到比較器的輸入端與給定壓力進行比較，當管網壓力不足時，通過對參數運算，調整PID的參數，控制電壓上升，使VVVF頻率相應增大，水泵轉速加快，供水量加大，近使管網壓力上升。反之，水泵轉速減慢，供水量減少，近使管網壓力下降。以保持恒壓供水的穩定。采用變頻恒壓供水控制后，首先，在設計、施工中徹底取代了高位水箱、水池、水塔和氣壓罐供水等傳統的供水方式，消除水質的二次污染，而且更具有節省能源、操作方便、自動化程度高等優點；其次，供水調峰能力明顯提高，不僅對一天之內的中午和晚上的生活用水高峰，而且對由于天氣情況引起的綠化用水高峰和時問不確定的基建用水高峰，都能正確自動調節；再者，大大減少了開泵、切換和停泵次數，由此減少對設備的沖擊，延長使用壽命。第2章供水系統的方案的確定2.1水廠及供水工藝流程圖：1.水源：一般為河水、湖泊、地下水等等2.一級泵站的作用：從水源中抽取水源，水位底時需抽真空。3.反應池：在反應池里加釩等沉淀劑，又稱加藥。4.濾池：使水澄清，有虹吸濾池，浮閥濾池，斜板濾池等水處理設備及工藝；因有大量沉淀，備有排泥車/排泥泵。5.清水池：澄清后的水還需加氯消毒并中和。因也有少量沉淀，故定期進行反沖洗。6.二級泵站的組成：通過供水泵和集水管將清水送往各需水點。2.2二級泵站管路組成：從清水池里接若干進水閥，分別經過泵M1,M2,M3,M4.再由出口電動閥到集水管內，最后再由1#，2#輸出管送到用戶。如上圖所示。這其中M4為清水泵，M3消防泵，M1、M2為管網增壓泵，構成二級泵站供水電氣控制系統。本圖分析二級泵站系統的基本特性。眾所周知，水泵的負載轉矩與其轉速的平方成正比，輸入功率與轉速的三次方成正比。作為平方類轉矩負載，最佳的驅動則是由驅動器輸出符合此類轉矩特性的驅動源。艾默生TD2100型變頻器，針對水泵類負載而設計，具有較強的控制功能，作為供水專用型變頻器。2.2.1供水方式的發展變頻調速供水方式減少了高位水箱儲水環節，避免了水質的二次污染。泵組及控制系統集中設在泵房，占地面積小，安裝快，投資省。采用閉環式供水方式，根據觀望壓力信號調節水泵轉速，實現變量供水。水質穩定，全自動運行，可無人值守，可靠性高。變頻調速供水方式中，水泵的轉速隨著管網流量的變化而變化，與恒速泵運行方式相比，明顯節省電能，因為軸功率與轉速的三次方成正比另外，變頻調速水泵的啟動為軟啟動，減少了對水泵及電網的沖擊，且多臺泵組采用先投入，先推出的運行方式，確保每臺泵的運行時間相同，能夠有效延長泵組的使用壽命。變頻調速閉環供水方式確保管網壓力恒定。減少了水能的消耗。能源緊缺是制約我國經濟發展的重要因素，節能節水是我國經濟持續發展的基本國策。但我國長期以來在城市供水、樓宇供水、工業生產供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于受供水設備和供水方式的限制。傳統的供水系統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。(1)對于氣壓式供水方式，壓力給水系統在地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐等設備，采用壓力給水來滿足建筑物的供水要求。氣壓供水系統是網去，其優點是靈活性大，建設快，污染少，有利于抗震，可消除管道中的噪聲。缺點是需用金屬制造，其體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需使用張力膜或設置空氣壓縮機充氣，維護費用高。 (2)對于水箱供水方式，需要將水箱置于屋頂的最高處，在大型建筑中即使如此，還常常不能滿足供水要求，同時由于其存水量較大，增加了結構的承重和占用了樓層的建筑面積，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。(3)對于水塔供水供水方式，水塔供水在無人值守時，總要開啟一個泵運行，而且多個泵不能自動循環使用，不能均衡泵的使用壽命。此外，水塔供水易造成二次污染，需要定期清理、消毒，周期性維投入多。水塔供水需要專門的泵房，要有人值班。2.2.2水泵調速運行的節能原理在供水系統中，通常以流量為控制對象，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節閥門開度的大小來調節流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現象的出現。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。圖2.1為管網及水泵的特性曲線。圖2.1管網及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在E點，流量為Qr，揚程為，當供水量從減小到Q，時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從移到，揚程特性曲線不變。而揚程則從上升到，運行工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率用圖形表示為(0,，F，)圍成矩形部分，其值為:PF=(2-1)當用調速控制時，若采用恒壓(H。)、變速泵()供水，管阻特性曲線為,揚程特性變為曲線，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率用圖形表示為(0,，D，Ho)圍成的矩形面積，其值為： PD=可見,改用調速控制，節能量為(Ho,D，F，)圍成的矩形面積，其值為：△P=PF-PD=-=所以，當用閥門控制流量時,有功率被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H,增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據水泵變速運行的相似定律，變速前后流量Q、揚程H，功率P與轉速N之間關系為：；；；(2-2)式中，、H,、P為變速前的流量、揚程、功率，、，為變速后的流量、揚程、功率。由公式(2-2)可以看出，功率與轉速的立方成正比，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著。2.2.3供水系統變頻調速的基本原理變頻供水系統是通過變頻器控制泵組中異步電機的轉速，由于電機和水泵常做成一體，通過異步電動機驅動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統變頻調速的實質是異步電動機的變頻調速。三相異步電動機的調速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉速，達到用戶要求。這種調速方式，可以大大簡化系統中的變速機構，提供系統的性能價格比。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。PLC控制的變頻恒壓供水系統作者：成都市自來水總公司六廠劉敏雍曉蕾概述?§變頻調速技術是一種新型的、成熟的交流電機無級調速驅動技術，它以其獨特優良的控制性被廣泛應用在速度控制領域。特別是在供水行業中，由于生產安全和供水質量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格要求，變頻調速技術也得到了更加深入的應用。成都市自來水公司六廠日產水量60萬噸，擔負著成都市區及周邊地區70%以上的供水任務。自1996年年底六廠的三期工程投產后開始向郫縣供水，使得我廠的供水方式從單一的重力流供水變為重力流和壓力流結合供水的方式。自向郫縣供水以來，由于考慮到現階段郫縣的用水量較少，從節約能耗的角度出發，我廠使用一臺泵同時向郫縣供水和提供我廠的自用高壓水。為了滿足六廠自用水壓力，保證廠內各個工藝環節設備（如消毒環節中的水射器）能正常工作，我廠自用水壓力須較恒定的控制在0.3Mpa以上，采用變頻調速控制是保證壓力恒定較為有效的方法。根據我們對郫縣城區供水量的了解，發現郫縣全天各時段用水量變化較大（見后圖5），如果不對供水量進行調節，管網壓力的波動也會很大，容易出現管網失壓或爆管事故。采用變頻恒壓供水控制后，當郫縣用水量較小時，這時相應管道和泵出口壓力均較大，變頻恒壓控制方式將會降低泵的頻率，減小泵出水量，從而降低管網壓力；反之亦然。這樣，小時用水量變化較大也不會造成管網壓力有較大的波動。經過長期運行實踐，證明了變頻調速手段實現恒壓供水不僅保證廠內自用高壓水壓力足夠且穩定，而且保證了郫縣供水的安全可靠性。控制系統構成整個恒壓供水系統有兩組變頻泵，每組均由一臺變頻器和一臺水泵組成；系統以PLC為控制核心，由PLC采集壓力信號和輸出控制變頻泵的運行。控制系統構成如圖1所示。圖1控制系統構成圖PLC處理器選用的是Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器，變頻泵選用的是ABB公司的SAMISTAR系列的315F660/690型的變頻器和水泵。系統由兩只量程為0~1.0Mpa的壓力變送器分別檢測兩臺水泵后的輸水管道的壓力，壓力變送器將檢測到的壓力信號轉換為4~20mA的電流信號，送到PLC子站的模擬量輸入模板（1771-IFE），通過PLC的PID運算，由模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出4~20mA的電流控制變頻泵的運行。控制原理及功能實現3.1PLC控制系統簡介我廠采用Allen-Bradley公司的PLC-5型處理器通過DH+通訊方式構建了全廠PLC工業控制網絡，通過DH+網絡上的RSView工作站實現人機對話。RSView工作站是指運行人機圖形界面軟件（RSView32）的計算機工作平臺，該工作站建在中心控制室，是實現生產現場無人值守和運行集中管理的調度中心。利用RSView32可以有效地對控制過程進行監視和控制，可以實現圖形化的人機對話界面，模擬生產運行的流程，在模擬流程上更加直觀地實現生產流程的全自動運行監視、遠程人工直接干預操作（如PID指令運行參數遠程設定）、控制環節報警監視等功能。控制界面如圖2。圖2變頻恒壓供水系統控制圖形界面（RSView工作站）3.2恒壓供水的控制原理SAMISTAR變頻器具有REMOTE和LOCAL兩種操作方式。LOCAL操作方式下，通過LOCALSTART/STOP開關啟停變頻器，通過fREFLOCALINPUT0輸入端口的電位開關人工調節變頻器工作頻率;通過LOCAL/REMOTE輸入點可以將變頻器切換到REMOTE操作方式下，在REMOTE方式下，通過REMOTESTART/STOP輸入點進行PLC遠程啟停變頻器，通過fREFREMOTEINPUT0端口輸入頻率控制信號（百分比）控制變頻器工作頻率。根據供水量情況，我們把變頻器的工作頻率上限設定為水泵基頻，即頻率變化范圍控制在0~50Hz,在此范圍內水泵運行頻率和定子相壓成正比（及與變頻器輸入頻率成正比），這使得變頻器輸入、水泵運行頻率和泵的輸出壓力成較好的線形關系，可得到較好的控制效果。SAMISTAR變頻器對用戶開放的I/O接口位于TERMINALBLOCKCARD上，主要使用的有：X11-1（REMOTESTART/STOP）；X11-4（LOCAL/REMOTE）；X11-13/14（fREFREMOTEINPUTO、4~20mA信號輸入）；X11-15/16（輸出4~20mA變頻器運行頻率信號）；X11-17/18（輸出4~20mA變頻泵運行電流信號）。變頻器由PLC遠程控制時，啟動是由PLC向X11-4輸出信號，使變頻器切換到外部設備控制方式（REMOTE方式），再向X11-1輸出信號，啟動變頻器。在恒壓調節時，PLC處理器把檢測到的壓力信號作為反饋值，與PID運算的壓力設定值（由調度人員根據情況在REView上設定）進行比較,再經過PID運算得到調節后的修正值,通過模擬量輸出模板（1771-OFE）輸出到X11-13/14,作為REMOTE方式下變頻器的頻率控制信號，由于該信號是相對變頻器工作頻率上限的百分比,所以變頻器將輸入信號進行內部運算后轉為真實工作頻率。為了使三期變頻恒壓供水自動控制系統與全廠自動控制網絡有機地結合起來,全面實現對恒壓供水系統的運行情況和設備運行進行監視和遠程控制,更加安全可靠地實現恒壓供水,我們使用PLC進行PID運算和監控。PID閉環反饋控制原理如圖3：圖3閉環控制原理圖PLC的PID運算調節通過該型處理器專用PID指令完成，通過設置各參數即可由PLC完成PID運算調節。PID程序段流程如圖4。PID指令必須以相同的時間間隔周期性地執行,可采用計時器，定時中斷或實時采樣的等方法，此處選用了定時方法；PV是PID指令采樣的壓力控制反饋值，SP是PID指令的壓力控制設定值，KP為PID的比例增益，KI為PID的積分增益，KD為PID的微分增益，這五個控制參數作為主要的PID參數參與控制,確定PID參數時要兼顧系統靈敏性和穩定性，由于我們恒壓控制要求和設備的性能條件，參數設定更強調穩定性（及KI），由于微分環節有放大噪聲的特點，我們將KD盡量設置得較小；SWM為PID指令轉為手動直接調頻的開關，SO設定為PID指令的在手動控制輸出方式時的輸出值，當變頻器從PID自控調節轉為手動直接調頻時，SO替代PID運算結果作為轉換時的輸出值，將SO設定為控制值就可實現無縫轉換，減小變頻器運行頻率的震蕩。DB為PID指令的死區設定值，輸出超出死區時PID指令通過自動運算限制輸出超出限定范圍。3.3相關控制功能實現為了防止運行時由于壓力變送器不可預見的故障造成PLC的PID運算調節失實，從而造成管網壓力失恒引發失壓或爆管的嚴重事故。我們分別在1#和2#變頻泵后輸水管上安裝壓力變送器，可以同時測到出廠輸水管線上的壓力；在PLC程序上對壓力信號進行了相應的處理，在程序中設置選擇軟開關，調度人員可以在RSView上將其中一臺壓力變送器的值設定為“控制反饋值”，另一臺壓力變送器的值則設為“參考反饋值”（見圖2：變頻恒壓供水系統控制圖形界面（RSView工作站））；對1#壓力和2#壓力值進行比較，相差O.IMpa時，判斷為，其中一只壓力變送器出現故障，變頻器控制轉換為遠程直接手動調頻控制（通過RSView設置運行）。壓力變送器正常工作時，“控制反饋值”經過平均濾波處理后，分別比較壓力報警上限和下限值，如果超出控制范圍，變頻器控制轉換為遠程直接手動調頻控制，否則“控制反饋值”作為PID調節的參數PV。同時為了在就地手動控制實現在控制現場對變頻泵進行開停控制和運行數據監視。我們在變頻泵工作現場安裝了A-B公司的PanelView圖形工作終端，該工作終端提供圖形交互界面和觸摸輸入方式，以從站的方式與PLC進行通信，進行數據和控制命令的交換，提供就地監控操作的通道。運行效果分析

4.1有效保證郫縣供水和我廠自用水壓力穩定，提高我廠供水安全可靠性圖5變頻恒壓控制頻率、壓力、供水量關系圖mtrmT7OZS頁￡=9=51舉#|-|g日圖5變頻恒壓控制頻率、壓力、供水量關系圖mtrmT7OZS頁￡=9=51舉#|-|g日S日MadaLAri(mSJs)一燮和累換學(10QHe>諦/壓力〔對町^ES^fflEE力如 FT3帖壓力(tsa) 臼用*刪￡(?s/=)從圖中數據可看出郫縣小時供水量變化很大，如果采用定速泵進行供水必然會導致高峰供水時段內管網供水壓力不足，夜間用水量較小時管網壓力過高，造成爆管現象。采用變頻恒壓控制后，變頻器的頻率