變頻恒壓供水技術(shù)【文獻(xiàn)綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(論文)文獻(xiàn)綜述</p><p><b>　　電氣工程及自動化</b></p><p><b>　　變頻恒壓供水技術(shù)</b></p><p>　　摘要：變頻恒壓供水技術(shù)在供水行業(yè)中廣泛應(yīng)用，本文介紹了其原理構(gòu)成，PID控制系統(tǒng)，PLC技術(shù)、變頻器的構(gòu)成和選型，通過文獻(xiàn)資料全面了解了變頻恒壓

2、供水技術(shù)的實施過程，以此為構(gòu)建樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)積累足夠的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)收集。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PID;變頻器；PLC</p><p><b>　　1 前言 </b></p><p>　　隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水、電、消防、智能化等基礎(chǔ)供應(yīng)配套要求也越來越高。恒壓供水技術(shù)以其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)

3、用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，恒壓供水對水泵、電機(jī)也起到了很好的保護(hù)作用和有效地節(jié)約了電能的消耗。結(jié)合使用可編程控制器，可實現(xiàn)循環(huán)變頻，電機(jī)軟啟動，具有短路保護(hù)、過流保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠延長了設(shè)備的使用壽命。</p><p>　　鑒于此，集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體的PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注。該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵數(shù)來適應(yīng)水

4、量和水壓的變化，使水泵始終工作在高效區(qū)并保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在資源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、人民的生活水平以及降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　2 變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　　長期以來傳統(tǒng)的區(qū)域、樓宇供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在這

5、種供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利用水點的水壓要求來確定相應(yīng)的設(shè)計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運(yùn)行方式。由于小區(qū)用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運(yùn)行控制就常采用水泵的運(yùn)行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量消耗在出口閥而浪費(fèi)，而且存在著水池“二次污染”的問題[1]。 </p><p>　　從目前的供水行業(yè)調(diào)查結(jié)果表明，變頻調(diào)速是一項有效的節(jié)能降耗技術(shù)，其節(jié)電率很高，幾年能將因設(shè)

6、計冗余和用量變化而浪費(fèi)的電能全部節(jié)省下來，又由于其具有調(diào)速精度高，功率因數(shù)高等特點，使用它可以提高出水質(zhì)量，并降低物料和設(shè)備的損耗，同時也能減少機(jī)械磨損和噪聲，改善車間勞動條件，滿足生產(chǎn)工藝要求[2]。因此將 PLC及變頻器應(yīng)用于供水系統(tǒng)，可滿足城市供水系統(tǒng)對可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性的要求。</p><p>　　2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)以3臺水

7、泵變頻恒壓運(yùn)行，以變頻器、可編程序控制器（PLC）作為系統(tǒng)控制的核心部件，以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)時刻跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，由PLC控制變頻與工頻切換，自動控制水泵投入臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水[3]。</p><p>　?。?) 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚(yáng)程特性:是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍?/p>

8、提，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系的曲線H1=f(QG)，稱為揚(yáng)程特性曲線。</p><p>　?。?）管阻特性：以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔瑩P(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(Qu)，稱為管阻特性曲線，不同閥門開度，管阻特性曲線不同。</p><p>　　（3) 供水系統(tǒng)的工作點:揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，在這一點上，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。</p>

9、<p>　　（4) 供水功率:供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率P (KW)稱為供水功率。</p><p>　　供水系統(tǒng)的控制，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。當(dāng)用戶需求發(fā)生變化時，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。</p><p>　　(1）閥門控制法：轉(zhuǎn)速保持不變，通過關(guān)小或開大閥門不調(diào)節(jié)流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。這時的管

10、阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速控制法：閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。由水泵的相似定律又稱為比例定律可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著, 這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本方面[4]

11、。</p><p>　　2.2 PID控制原理</p><p>　　在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)[5]。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能

12、通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)[6]。 </p><p>　?。?）比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p>　?。?）在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。為

13、了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 </p><p>　?。?）在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)

14、該是零。對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性[7]。 </p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被 控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用

15、，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用[8]。</p><p>　　2.3 變頻器原理及選型</p><p><b>　　1.變頻器的構(gòu)成</b></p><p>　　變頻器主要是由主電路、控制電路組成。主電路是給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電

16、源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感[9]。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。</p><p>　　控制電路是給異步電動機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號

17、的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成。</p><p><b>　　2.變頻器的選型</b></p><p>　　變頻器的正確選用對于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速

18、范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，然后決定選用何種控制方式和防護(hù)結(jié)構(gòu)的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機(jī)械設(shè)備的實際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價比[10]。</p><p>　　2.4 PLC的組成和特點</p><p>　　PLC是Programmable Logic Controller的縮寫，即可編程邏輯控制器。IEC對PLC的定義是：PLC是一

19、種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[11]。</p><p>　　上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，

20、PLC逐漸進(jìn)入過程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)[12]。 </p><p>　　從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。</p><p>　　P

21、LC軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序兩部分組成。系統(tǒng)程序包括監(jiān)控程序、編譯程序、診斷程序等，主要用于管理全機(jī)、將程序語言翻譯成機(jī)器語言，診斷機(jī)器故障。系統(tǒng)軟件由PLC廠家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干預(yù)。用戶程序是用戶根據(jù)現(xiàn)場控制要求，用PLC的程序語言編制的應(yīng)用程序（也就是邏輯控制）用來實現(xiàn)各種控制[13]。</p><p>　　PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單

22、等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見的將來，是無法取代的。 </p><p><b>　　3 結(jié)論</b></p><p>　　隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保的概念逐漸成為主流。變頻恒壓供水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式，在設(shè)備的便捷性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)型，以及人性化控制都有很顯著的進(jìn)步，尤其是它的節(jié)能效果。變頻恒

23、壓供水系統(tǒng)憑借其高可靠性、高智能化、全數(shù)字話微機(jī)控制、多品種系列化，在城鎮(zhèn)建設(shè)以及社區(qū)生活中被廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 呂惠芳.基于PLC恒壓供水系統(tǒng)中PID控制器的實現(xiàn)[J].重慶文理學(xué)院學(xué)報.2009(2)</p><p>　　[2] 李永春,張之楓.淺談變頻恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)[J

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