基于PLC控制的无塔变频恒压供水系统设计

基于PLC限制的无塔变频恒压供水系统设计第一章绪论1.1概述随着改革开放的不断深化，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人们生活水平不断提高，同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的牢靠性、稳定性、经济节能性干脆影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。我国中小城市城市传统的供水方式主要采纳恒速泵加压供水以及水塔高位供水等，恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出刚好的反应，水泵的增减都依靠人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严峻，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采纳。水塔高位水箱供水具有限制方式简洁、运行经济合理、短时间修理或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，影响城市整体规划，维护不便利，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，且能耗大。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在效率低、牢靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的须要。当前，随着可编程序限制器(PLC)技术的发展，由于其高牢靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性便利的工艺扩展性能，PLC在工业自动限制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，沟通异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简洁、起动性能优越、自动化程度高等很多优点。因此将PLC及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对牢靠性、稳定性、经济节能性的要求。1.2问题的提出及解决方案张家口市地处河北省西北部山区，城市人口约45万人，过去为军事重地，改革开放较晚，属经济欠发达地区。改革开放后，张家口加快了城市建设步伐。但城市供水系统陈旧，城区管网多实行传统的水塔高位供水方式。水塔分布在市区内，不仅影响城市整体规划，且存在能耗大，维护不便利，电机的启动电流对电网冲击大的缺点；各供水系统相距较远，不能刚好有效地驾驭各供水系统的运行状况，系统运行牢靠性低，故障解除慢，系统运行中的一些参数也无法监控与记录。为满足城市需水量日益加大的要求，供水公司确定兴建新水源——在距市区南17公里的洋河边打井取水，并经西泵站二次加压为城区供水。同时为降低单位供水能耗，实现全自动、牢靠、稳定的供水，须要利用变频恒压供水技术对原供水系统进行自动化改造，采纳PLC限制并进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程中主要探讨并解决以下问题。1、探讨并完成利用PLC、变频器、远传压力表和多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的运用效率，削减设备投资，采纳一台变频器拖动多台水泵电机变频运行的方案。2、深化分析变频恒压供水系统的工况变更过程，确定工况转换方式，完成PLC限制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的牢靠、平安的切换。3、设定PID调整参数，实现在全流量范围内靠变频泵的连续调整和工频泵的分级调整相结合，维持供水压力恒定。4、探讨PLC和计算机的通信模式，确定通信协议，开发通信与监控软件，实现供水系统的远程监控、管理与报警。5、加强系统的牢靠性设计，提高系统的冗余度，设计自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水。通过该项目的探讨和实施可以极大地改善城区供水的牢靠性和稳定性，降低能耗及维护成本，便利管理。具有较好的应用前景和推广价值。1.3相关技术概况1.3.1对于由继电器限制装置构成的自动限制系统，每一次设计或改进都干脆导致继电器限制装置的重新设计和安装，特别费时，费工，费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。因此，可编程限制器这一新的限制装置应运而生，并取代了继电器限制装置。可编程限制器(PLC)是以微处理器为核心的工业限制装置。它将传统的继电器限制系统与计算机技术结合在一起，具有牢靠性高、敏捷通用、易于编程、运用便利等特点，近年来在工业自动限制、机电一体化、改造传统产业等方面得到一般应用，越来越多的工厂设备采纳PLC、变频器、人机界面等自动化器件来限制，使设备自动化程度越来越高。现代工业生产是困难多样的，它们对限制的要求也各不相同。可编程限制器(PLC)由于具有以下特点而深受工程技术人员的欢迎。(1)牢靠性高，抗干扰实力强其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采纳了冗余设计和差异设计，进一步提高了其牢靠性。(2)适应性强，应用敏捷多数采纳模块式的硬件结构，组合和扩展便利。(3)编程便利，易于运用梯形图语言和顺控流程图语言(SequentialFunctionFig)使编程简洁便利。(4)限制系统设计、安装、调试便利设计人员只要有PLC就可进行限制系统设计，并可在试验室进行模拟调试。(5)修理便利，工作量小PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以便利的查出故障缘由，快速处理。(6)功能完善除基本的逻辑限制、定时、计数、算术运算等功能外，协作特殊功能块，还可以实现点位限制、PID运算、过程限制、数字限制等功能，既便利管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以限制远方设备[1]由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有限制要求，就会有PLC的应用。1.3.变频调速技术是近十几年来快速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简洁、平安牢靠、爱护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产限制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特殊是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身己特别成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，运用越来越便利，牢靠性也得到了进一步的提高。变频器已形成了与电机相协作的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、V/F曲线设定、转距上升调整、输出频率上、下限幅、频率跳动等功能;具有各种接口，能与计算机、可编程序限制器及自动化仪表联机，并具有远程限制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。1.4本章小结本章首先概述了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有供水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、牢靠、稳定供水的PLC限制的变频恒压供水及其远程监控系统的设计目标。对PLC及变频调速技术做了简要叙述，提出了设计须要解决的主要技术问题和论文的主要探讨内容。其次章恒压供水方案与分析2.1恒压供水的方案比较与选择在传统城市供水系统中，常实行恒速泵供水方式。由于用户用水具有不确定性，用水量处于动态变更过程之中，恒速泵供水方式虽然可通过水泵切换限制管网压力，但无法维持管压恒定，不断地起停水泵电机不仅也影响设备的寿命同时也使能耗增加，供水质量不能保证。若实行阀门限制调整流量来维持管压，一方面常见的调整使阀门的机械磨损加剧，设备维护工作量及设备投资增大；另一方面限制精度差且造成大量的电能奢侈。此外，水泵电机干脆工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。考虑到沟通异步电动机对于泵类负载可采纳调电压调速，虽然能够实现恒压供水，但其调速范围小、能耗大，调整效果差。随着变频调速技术发展，变频器的日益成熟，以及功能的完善，基于恒压、节能及平安性考虑，实行变频调速恒压供水方式是一种最好的选择。变频调速精度高、调速范围大、效率高。据统计采纳变频调速技术调整流量实现恒压供水，可节能20-50%，节能效果相当显著。2.2供水系统的模型、特性及恒压限制2.2.张家口市供水公司西泵站为二级泵站，是将清水池中的水经二次加压后为城区供水。供水系统的基本模型如图2-1所示。图中：——水泵中心位置；水面吸入口水压表城区管网——吸水口水位；——水平面水位；——管道最高处水位；——在管道高度不受限制的状况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水实力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在大于管道的实际最高位置的状况下，才能正常供水。主要参数有：1.流量单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3/min。2.扬程也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变更量，数值上等于对应的水位差。常用单位是m。3.实际扬程供水系统中，实际的最高水位与最低水位之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。即：=4.全扬程水泵能够泵水上扬的最高水位与吸入口的水位之间的水位差。全扬程的大小说明白水泵的泵水实力。即=5.损失扬程全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。、、之间的关系是：=+。供水系统为了保证供水，其全扬程必需大于实际扬程，这多余的扬程一方面用于提高及限制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失。6.管阻阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。7.压力表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态状况下，则还与流量与扬程之间的平衡状况有关。2.2供水系统的参数表明白供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在肯定的内在联系和变更规律。这种联系和变更规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2-2。通过特性曲线可以驾驭供水系统的性能，确定其工作点图2-2中：曲线①——额定转速时的扬程特性曲线曲线②——转速时的扬程特性曲线曲线③——阀门开度100%时的管阻特性曲线曲线④——阀门开度不足100%时的管阻特性曲线1.扬程特性以管路中的阀门开度不变更为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线=称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2-2中的曲线①、②分别对应于转速、，且>。曲线表明转速肯定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，用水流量用表示。用水量肯定时，即不变，转速越低，水泵的供水实力越低，供水系统的全扬程就越小。2.管阻特性以水泵的转速不变更为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线=，称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线③对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。管阻特性表明由阀门开度来限制供水实力的特性曲线。此时转速肯定，表明水泵供水实力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来确定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用表示。在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的和是为了便于说明供水实力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。当供水流量接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(=)。表明白假如全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。3.供水系统的工作点扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。图2-2中的点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100%时的供水状态，为系统的额定工作点。4供水功率供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（Kw）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：（2—1）式中：——比例常数·2.2对供水系统进行的限制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本限制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和限制。考虑到动态状况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水实力(由流量表示)和用水需求(由用水流量表示)之间的平衡状况有关。若:供水实力>用水需求，则压力上升；若:供水实力<用水需求，则压力下降；若:供水实力=用水需求，则压力不变。可见，流体压力的变更反映了供水实力与用水需求之间的冲突。从而，选择压力限制来调整管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水实力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。将来用户需求发生变更时，须要对供水系统做出调整，以适应流量的变更。这种调整就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调整方式有阀门限制法和转速限制法两种。(1)阀门限制法转速保持不变，通过调整阀门的开度大小来调整流量。实质是水泵本身的供水实力不变，而通过变更水路中的阻力大小来强行变更流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的变更而变更，但扬程特性则不变。(2)转速限制法阀门开度保持不变，通过变更水泵的转速来调整流量。实质是通过变更水泵的供水实力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速变更时，扬程特性将随之变更，而管阻特性则不变。2.3异步电动机调速方法通过转速限制法实现恒压供水，须要调整水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调整，实质就是须要调整异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式（2—2）式中，—异步电动机的同步转速，r/min；—异步电动机转子转速，r/min；—异步电动机磁极对数；—异步电动机定子电压频率，即电源频率；s—转速差，；可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。1.变极调速在电源频率肯定的状况下，变更电动机的磁极对数，实现电机转速的变更。磁极对数的变更通过变更电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于特地的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调整。2变转差调速通过变更电动机的转差率实现电机转速的变更。三相异步电动机的转子铜损耗为：（2—3）该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率:很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速限制法实现恒压供水时，为适应流量的变更，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率、增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载实力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速限制法。3.变频调速通过调整电动机的电源频率来实现电机转速的调整方式。这种调速方式须要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器实行的是变压变频方式的，简称为VVVF(VariablevoltageVariableFrequency)。在变更输出频率的同时也变更输出电压，以保证电机磁通。.基本不变，其关系为：式中：—变频器输出电压;——变频器输出频率:变频调速方式时，电动机的机械特性表达式：（2—4）式中：——电机相数——定子电阻——定子漏电抗——转子漏电抗折算值频率从额定值往下调时，由文献〔5〕所示，图中>>>>变频调速过程的特点:静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速限制法。因此恒压供水系统中实行变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。2.4变频调速恒压供水系统能耗分析1．转速限制调整流量实现节能(1)．转速限制法与阀门限制法供水能耗分析在图2-2中，将阀门限制法和转速限制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态点，当所需流量削减，从额定流量变为时，在恒压前提下，采纳阀门限制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率与面积成正比；采纳转速限制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率与面积成正比。两种限制方式下的面积之差表明白实行转速限制方式相对于阀门限制方式可以实现节能。(2)．转速调整与恒速运行供水能耗分析依据水泵比例定理，变更转速n，水泵流量、扬程和轴功率都随之相应变更，其关系式为：（2—5）（2—6）（2—7）式中，、、、分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速下降时，轴功率按转速变更的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装运用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量经常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大削减。可见，在供水系统中依据用水量的大小，通过变频方式调整水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少季节能效果更为明显。2．转速限制供水系统的工作效率高(1)．工作效率的定义供水系统的工作效率为水泵的供水功率与轴功率之比，即：（2—8）该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式(2-8)中，是指水泵是在肯定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。(2)．供水系统工作效率的近似计算公式水泵工作效率相对值的近似计算公式如下（2—9）式（2—9）中：、、—效率、流量和转速的相对值，均小于1：有以下关系：、、、—常数，其关系为。(3)．不同限制方式时的工作效率阀门限制法方式，因转速不变，比值随着流量的减小。减小，水泵工作的效率降低特别明显。转速限制方式时，因阀门开度不变，由式(2—5)，流量和转速矿是成正比的，比值不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。所以，转速限制方式与阀门限制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。这是变频调速供水系统具有节能效果的其次个方面。3．变频调速电机运行效率高在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也经常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采纳变频调速方式变频器能够依据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。2.5供水系统平安性探讨1．水锤效应在极短时间内，因水流量的急巨变更，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，如同锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的裂开;压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。2．产生水锤效应的缘由及消退方法产生水锤效应的根本缘由，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变更而引起的。采纳变频调速，通过削减动态转矩，可以实现彻底消退水锤效应。水泵的动态转矩大小确定了水泵加速过程的快慢，确定了加速过程流量变更的快慢，也就确定了水锤效应的强弱。拖动系统中，动态转矩：是电动机的拖动转矩：是供水系统的制动转矩图2—4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩状况。图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，图2—4b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。由图2—4可知，水泵在干脆起动过程时，因动态转矩很大，造成了剧烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消退水锤效应。停机过程效果类似。3．变频调速对供水系统平安性的作用采纳变频调速，对系统的平安性有一系列的好处(1)消退了水锤效应，削减了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。(2)降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。(3)避开了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。(4)削减了起动电流，也就削减了系统对电网的冲击，提高了自身系统的牢靠性。2.6本章小结本章在分析供水系统模型及其特性参数的基础上，探讨了影响供水系统能耗及其平安性的一些因素，得出了以下结论:1.对供水系统进行的限制，归根结底是对供水实力的调整，以满足用户对流量的需求。这种调整又是以水压调整为目标。2.供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运行中的工作点会随用水需求的变更而变更。为保证水压恒定，实行转速调整方式较阀门限制方式节能效果明显。3.实行变频调速方式限制流量实现恒压供水，可削减系统能耗，提高工作效率。4.实行变频调速方式可以消退水锤效应，可削减冲击，增加系统运行的平安性，延长系统运行寿命。第三章变频调速恒压供水限制系统设计3.1供水系统总体方案的确定1．对西泵站供水系统总体要求：(1)．由多台水泵机组实现供水，流量范围4000m3(2)．设置一台小泵作为协助泵，用于小流量时的供水(3)．供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小(4)．系统能自动牢靠运行，为便利检修和应急，应具备手动功能(5)．各主泵均能牢靠地实观软启动(6)．具有完善的爱护和报警功能(7)．系统要求较高的经济运行性能2.方案确定确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水实力能满足系统最不利点用水需求，同时还须要结合用户用水量变更类型，考虑方案适用性、节能性，及其它技术要求。依据用户的用水时段特点，可将用户用水量变更类型分为连续型、间歇型两大类，依据流量的变更特点，还可进一步细分为高流量变更型，低流量变更型，全流量变更型等。不同季节、不同月份，流量变更类型也会变更。连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有肯定的流量。间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。各种类型的水流量变更关系曲线如图3—1西泵站供水系统主要负责张家口市桥西区域用户的用水，属连续型高流量变更型。这类型用水需求在较长时间段表现为高流量，低流量时，采纳变频调速方式来实现的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达30%。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。由于用水呈高流量变更型的特点，采纳多台水泵并联供水，依据用水量大小调整投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调整和工频泵的分级调整相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水牢靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的修理更换也便利；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，削减投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步削减功耗，采纳一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作方式的牢靠切换，是实现多泵分级调整的关键，可选用编程敏捷、牢靠性高、抗干扰实力强、调试便利、维护工作量小的PLC通过编程来实现。供水系统的恒压通过压力变送器、PID调整器和变频器组成的闭环调整系统限制。依据水压的变更，由变频器调整电机转速来实现恒压。为了削减对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。综合以上分析，确定以牢靠性高、运用简洁、维护便利、编程敏捷的工控设备变频器和PLC作为主要限制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如图3-2所示。3.2限制系统的硬件设计系统主要配置的选型1.水泵机组的选型依据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力(水泵扬程)，考虑到用水量类型为连续型低流量变更型，确定采纳3台主水泵机组和1台协助泵机组，型号及参数见表3-1。2.变频器的选型(1).容量确定方法依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱动一台电机连续运转时，变频器容量(kVA)应同时满足下列三式：（kVA）（3—1）（kVA）（3—2）（A）（3—3）式中，—负载所要求的电动机的输出功率；—电动机的效率（通常在0.85以上）；—电动机的功率因数（通常在0.8以上）；—电动机电压（V）；—电动机工频电源时的电流（A）；—电流波形的修正系数，对PWM方式，取1.0～1.05；—变频器的额定容量（KVA）；—变频器的额定电流（A）。这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤其变频器电流是一个较关键的量。(2).型号选择依据限制功能不同，通用变频器为分为三种类型。一般功能型U/f限制变频器、具有转矩限制功能的高功能型U/f限制变频器、矢量限制高功能型变频器。供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f限制变频器。综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的一般功能型U/f限制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX，变频器内置PID限制模块，可用于闭环限制系统，实现恒压供水。其主要参数及性能介绍如下。①.主要参数额定容量：85(kVA)；额定输出电流：112A；过载容量：110%额定输出电流、1分钟；起动转矩：50%以上；适配电机容量：55KW；②.功能特点风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器;可选用自动和手动的转矩提升功能，保证最佳的启动;加速时间设定范围宽(0.01秒到3600秒)，具有S形加减速功能和曲线加减速功能，让加减速过程变得缓和，防止冲击和载物倒塌;直流制动功能，制动时间在0-30秒范围可调，保证快速可控的制动，不须要外接电阻;内置PID模块，可用于闭环限制;多种频率设定方式;多种附加功能;五路晶体管输出③.I/0特性9个可设定的开关量输入口，给操作者极大的敏捷性(如固定频率、固定给定、电动电位计、点动);四路可设定的开路集电极晶体管输出，可用于频率到达、频率值检测、过载、运行等多种提示;RS-485接口，可实现远程通信;④.爱护功能具有过电压/欠电压爱护、短路爱护、过热爱护、PTC热敏电阻爱护、电机锁死爱护、缺相爱护、电涌爱护、失速爱护、CPU/存贮器异样爱护等。3.PLC的选型依据限制任务，从PLC的输入1输出点数、存储器容量、输入l输出接口模块类型等方面等来选择PLC型号。在供水系统的设计中，我们选择三菱FX2N-32MR及扩展输出模块FX2N-16EYR，其I/O端子安排在3.4节给出。FX2N-32MR主要参数及特点:I/O点数:16/16;用户程序步数:4K;基本指令:27条;功能指令:298条;基本指令执行时间:0.08微秒;通信功能:强;输出形式:继电型;输出实力：2A/点;扩展输出模块FX2N-16EYR有16个输出点;4.压力变送器及数显仪的选型选用一般压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的检测、显示和变送。压力表测量范围0～1MP，精度1.5；数显仪输出一路4～20mA电流信号，送给变频器作为PID调整的反馈电信号，可设定压力上下、限，通过两路继电器限制输出压力超限信号。主电路方案设计三台大容量的主水泵(1#,2#,3#)依据供水状态的不同，具有变频、工频两种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联;协助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时肯定要留意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1,FR2,FR3,FR4为工频运行时的电机过载爱护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载爱护。变频器的主电路输出端子(U,V,W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一样时，须要调换输出端子(U,V,W)的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应限制在100m以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必需用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD(REV)来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的(Pl、P+)端子之间接入需相应的DC电抗器。变频器接地端子必需牢靠接地，以保证平安，削减噪声。在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来视察电机工作电流大小;设计三相电源信号指示。图3-3给出了供水系统电气限制主回路的主要联线关系。限制电路设计在限制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了爱护PLC设备，PLC输出端口并不是干脆和沟通接触器连接，而是在PLC输出端口和沟通接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器限制接触器线圈的得电/失电，进而限制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的运用寿命，增加系统工作的牢靠性。限制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器平安运行特别重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的状况出现。因此，在限制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计;另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的牢靠性，在PLC限制程序设计时，进一步通过PLC内部的软继电器来作互锁。限制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节约PLC的输出端口，在电路中可以采纳PLC输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来限制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于牢靠性及检修方面的考虑，设计了手动/自动转换限制电路。通过转换开关及相应的电路来实现。图3-4给出了供水系统的部份电气限制线路图。图3-4中，SA为手动/自动转换开关，KA为手动/自动转换用中间继电器，打在①位置为手动状态，打在②位置KA吸合，为自动状态。在手动状态，通过按钮SB1-SB14限制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行PLC的限制程序，自动限制泵的起停。中间继电器KA的7个常闭触点串接在四台泵的手动限制电路上，限制四台泵的手动运行。中间继电器KA的常开触点接PLC的XO，限制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在PLC的限制下能够有序而平稳地切换、运行。电机动电源的通断，由中间继电器KA1-KA7限制接触器KM1-KM7的线圈来实现。HLO为自动运行指示灯。FR1,FR2,FR3,FR4为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流爱护。3.2.4PLCI/0端子安排说明:1#.2#.3#分别代表I号主水泵、2号主水泵、3号主水泵。变频器接线及功能设定表3-2中频率参数设置说明：(1).最高频率:水泵属于平方律负载，转矩，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电动机严峻过载。因此，变频器的最高频率只能与水泵额定频率相等。(2).上限频率:由于变频器内部具有转差补偿功能，在50Hz的状况下，水泵在变频运行时的实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了电动机的负载，因此实际预置得略低于额定频率。(3).下限频率:在供水系统中，转速过低，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，在多数状况下，下限频率不能太低，可依据实际状况适当调整。(4).启动频率:水泵在启动前，其叶轮全部在水中，启动时，存在着肯定的阻力，在从0Hz起先启动的一段频率内，事实上转不起来。因此，应适当预置启动频率值，使其在启动瞬间有一点冲击力。3.3PLC限制程序的设计全自动变频恒压运行方式水泵运行状态及转换过程分析1.转换过程分析启动自动变频运行方式时，首先起动协助稳压泵工频运行供水，当用水量大，超过协助泵最大供水实力而无法维持管道内水压时，延时1分钟PLC通过变频器启动1号主水泵供水，同时关闭协助泵的运行。在1号主水泵供水过程中，变频器依据水压的变更通过PID调整器调整1#主水泵的转速来限制流量，维持水压。若用水量接着增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时分钟，由PLC给出限制信号，将1号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，同时变频器对2号主水泵软启动。系统工作于1号工频、2号变频的两台水泵并联运行的供水状态。若用水量接着增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上述过程接着增开水泵台数……直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原来工作于变频运行状态的水泵转入工频恒速运行，新开泵软启动并运行在变频状态，保证只有一台水泵运行在变频状态。当用水量削减时，变频器通过PID调整器降低水泵转速来维持水压。若变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高，延时1分钟，按“先起先停”的原则，由PLC给出限制信号，将当前供水状态中最先工作在工频方式的水泵关闭，同时PID调整器将依据新的水压偏差自动上升变频器输出频率，加大供水量，维持水压。当用水量持续削减，系统接着按“先起先停”原则逐台关闭处于工频运行的水泵。当系统处于单台主水泵变频供水状态时，若用水量削减，变频器输出频率达到下限频率时，水压仍过高时，延时5分钟后，关闭变频器运行，启动协助泵维持供水。2供水状态及其转换关系供水状态是指在供水时投入运行的水泵台数及运行状况(工频或变频)。为保证在一个较长的时间周期内，各台水泵运行时间基本均等，避开某台电机长期得不到运行而出现绣死现象，供水状态的切换依据“有效状态循环法”即“先起先停”的原则操作。若有N台水泵参加变频调速，则满足“先起先停”原则的最大有效状态数为N2十1。将来的供水状态就在这些有效状态范围内来回循环。本系统采纳了三台主水泵和一台协助稳压泵供水，其中只有主水泵参加变频运行，共有10种有效供水状态，见表3-4各状态之间的转换关系见下图3-5从图3-5可见，供水状态之间的转换不但和转换条件有关，还与其目前所处的供水状态有关;由协助泵切换到主泵供水也遵循有效状态循环方式，即上一次启动1#主泵，则下次由协助泵切换到主泵供水，应启动2#泵。3.状态转换条件供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为X1，水压达到设定压力下限值时的欠压信号为X2，水压达到设定压力上限值时的超压信号为X3。从协助泵切换到主泵条件:满足X2;从主泵切换到协助泵条件:同时满足X1、X3;增泵条件:同时满足X1、X2,减泵条件:同时满足X1,X3;4.状态转换过程的实现方法从协助泵切换到主泵只需断开协助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动一台主泵的运行即可;从主泵切换到协助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将协助泵干脆投入工频运行即可;减泵过程是在满足减泵条件的前提下，通过PLC限制，断开工频运行状态电机的接触器主触点即可。增泵过程的实现相对困难一些，首先要将运行在变频状态的电机和变频器脱离后，再切换到电网运行，同时变频器又要以起始频率起动一台新的电机运行。切换过程主要考虑三方面的问题:第一，切换过程的牢靠性。决不允许出现变频器的输出端和工频电源相连的状况，这一点通过限制电路、PLC内部软继电器的互锁及PLC限制程序中动作的时间先后次序来保证。其次，切换过程的完成时间。时间太长，原变频运行的电机转速下降太多，一方面造成水压下降大，另一方面在接下来切换到工频时冲击电流大;时间太短，切换过程的牢靠性下降。具体时间还需依据电动机的容量大小来设定，容量越大时间越长，一般状况下，500ms足够。再次，切换过程的电流。因变频器输出电压相位和电网电压相位一般不同，当电机从变频器断开后，转子电流磁场在定于绕组中的感应电压与电网电压往往也存在相位差。此时，切换到工频电网瞬间，假如二者刚好反相，则将产生比干脆起动时的起动电流更大的冲击电流，反过来对变频器造成冲击。解决方法有：(1).电机定子绕组中接入三相灭磁电阻的方法。这种方法一般须要延时2-3秒，时间太长，水泵转速下降太多，不合适:(2).相位鉴定法。通过相位鉴别电路，在电网电压和变频器输出电压相位一样时，快速切换。这种方法特别有效，牢靠，对于100kW以上的大容量电机一般要求采纳这一方法(3)利用变频器的自由停车指令BX来实现的快速灭磁法。这一方法的实质是通过定子绕组中和变频器逆变桥上的续流二极管组成的回路来达到快速灭磁的目的。其动作依次是，在电机从变频器断开前，PLC的Y16给出动作信号，变频器Xl端子功能生效，自由停车吩咐BX生效，变频器马上停止输出，经短暂延时(约500ms)灭磁后，将电机从变频器断开，并马上投入电网。这种方法简洁有效、限制便利，本次设计中采纳了这一方法。3.3.2PLC程序设计方法1.PLC编程语言PLC是由继电器接触器限制系统发展而来的一种新型的工业自动化限制装置。采纳了面对限制过程、面对问题、简洁直观的PLC编程语言，易于学习和驾驭。尽管国内外不同厂家采纳的编程语言不尽相同，但程序的表达方式基本类似，主要有四种形式:梯形图，指令表，状态转移图和高级语言。梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器限制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器限制原理电路图特别相像，但又加入了很多功能强而又运用敏捷的指令，它比较直观、形象，对于那些熟识继电器一接触器限制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简洁的限制功能的编程。绝大多数PLC用户都首选运用梯形图编程。指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成限制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成。比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表。编程设备简洁价廉。状态转移图语言(SFC)类似于计算机常用的程序框图，但有它自己的规则，描述限制过程比较具体具体，包括每一框前的输入信号，框内的推断和工作内容，框后的输出状态。这种方式简洁构思，是一种常用的程序表达方式。高级语言类似于BACIC语言、C语言等，在某些厂家的PLC中应用。2.梯形图语言编程的一般规则通常微、小型PLC主要采纳继电器梯形图编程，其编程的一般规则有:(1).梯形图按自上而下、从左到右的依次排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最终是线圈或线圈与右母线相连，整个图形呈阶梯形。梯形图所运用的元件编号地址必需在所运用PLC的有效范围内。(2).梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图便利，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流;层次的变更也只能自上而下。(3).梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“1”态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“0”态。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。(4).梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线干脆相连，线圈的右边不能有触点，而左边必需有触点。(5).继电器线圈在一个程序中不能重复运用:而继电器的触点，编程中可以重复运用，且运用次数不受限制。(6).PLC在解算用户逻辑时，是依据梯形图由上而下、从左到右的先后依次逐步进行的，即按扫描方式依次执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以削减很多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的依次，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。3.PLC程序开发平台不同公司的PLC实行的开发平台不同，这次设计采纳MITSUBISHI公司供应的Windows环境下的编程软件FXGPWIN来开发。先用状态转移图(SFC)来描述供水状态的转换过程和转换条件，再用步进顺控指令(STL)转换为步进梯形图，通过检查、编译后，用专用编程电缆SC09下载到PLC程序存储器中。其间还须要一个调试过程。4.程序扫描工作方式的原理当PLC运行时，用户程序中有众多的操作须要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序起先，在无中断或跳转限制的状况下，按存储地址号递增依次逐条扫描用户程序，也就是依次逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头起先扫描，并周而复始。依次扫描的工作方式简洁直观，它简化了程序的设计，并为PLC的牢靠运行供应了特别有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果立刻就可以被将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过CPU设置的定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，从而避开了由于CPU内部故障使程序执行进入死循环而造成故障的影响PLC的工作过程就是程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段，如图3-6所示(1).输入采样阶段在起先执行程序之前，PLC以扫描方式按依次将全部输入端的输入信号状态(开或关、“1”或“0”)读入到输入映像寄存器中寄存起来，这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新。在程序执行期间，所需输入信息取自输入映像寄存器的内容。在本工作周期内，即使输入状态变更，输入映像寄存器的内容也不会变更。输入状态的变更只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被重新读人。(2).程序执行阶段在程序执行阶段，PLC对程序按依次进行扫描。每扫描到一条指令时，所须要的输入状态或其他元素的状态分别由输入映像寄存器和元素映像寄存器中读出，然后将执行结果写入到元素映像寄存器中。这就是说，对于每个元素来说，元素映像寄存器中寄存的内容，会随程序执行的进程而变更。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到端子上。(3).输出刷新阶段当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中全部输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备(负载)，这才是PLC的实际输出。PLC重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)。工作周期的长短与程序的长短(即组成程序的语句多少)、指令的种类和CPU执行的速度有很大关系。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了PLC在执行程序阶段，输入映像寄存器和输出锁存电路的内容或数据保持不变。供水系统限制程序设计供水系统依据须要实现的主要功能有自动变频恒压运行、自动工频运行、远程手动限制和现场手限制等。全自动变频恒压运行方式是系统中最主要的运行方式，也是系统的主要功能，是指利用PLC限制，结合PID调整功能，通过变频调速实现自动恒压供水，其核心是依据恒压条件下供水系统中水泵运行状态及转换过程设计的PLC限制程序;自动工频运行是指在变频器故障状态时，为维持压力的相对恒定，系统依据水压大小自动调整工频运行电机台数，维持供水，这种运行方式只是在特殊状况下的一种备用供水方案，提高了系统牢靠性的冗余度;远程手动限制是指在限制室，通过计算机和PLC通信远程操控水泵的运行，是一种协助供水方案;现场手动限制运行是指通过现场按钮来人工限制电机工频、变频运行，这一方式完全通过电气限制线路设计来实现，PLC不参加，主要用用于检修、调试及PLC故障时的运行。系统还具有水泵故障锁定功能。当有水泵出现故障时，系统自动锁定出故障的水泵，将其退出系统运行，并报警提示。PLC限制程序设计的主要任务是接收受各种外部开关量信号的输入，推断当前的供水状态，输出信号去限制继电器、接触器、信号灯等电器的动作，进而调整水泵的运行，并给出相应指示或报警。供水系统限制程序的主流程如图3-7。主要由系统初始化模块、协助泵/主泵运行转换模块、增加主泵的状态转换模块、削减主泵的状态转换模块、远程手动限制模块和故障处理模块等构成。1.系统初始化模块在初始化模块中设置通信用数据寄存器D8120,D8121,D8129的通信参数，具体设置程序见论文4.3节;置标记M6=1，在自动运行时，首先起动协助泵进入SO状态:置标记M0=1，保证协助泵运行状态首次SO转入主泵运行状态S20。初始化过程通过M8002产生的初始化脉冲来完成。2.协助泵/主泵运行转换模块主泵转协助泵运行是指在单台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，延时5分钟，关闭变频器运行，启动协助泵的过程。即由状态S20(或S21,S22)转入SO的过程。PLC置输出继电器YI(或Y3,Y5)为0，同时置Y7=1。协助泵转主泵运行是指由协助泵供水，水压达到压力下限时，延时1分钟，关闭协助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态so转入S20(或S21,S22)的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以协助继电器M3,M2,Ml作为S20,S21,S22状态的转入标记，三者按循环方式动作，保证S20,S21,S22状态的循环。3.增加主泵的状态转换模块增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时1分钟，PLC给出限制信号，PLC的Y16得电，变频器的X1端子对CM短接，变频器的自由停车指令BX生效，切断变频器输出，延时500ms(灭磁作用)后，将主水泵与变频器断开，延时looms(防止变频器输出对工频短路)，将其转为工频恒速运行，同时PLC的Y16失电，BX指令取消，变频器以起始频率启动一台新的主水泵。这段程序设计时要充分考虑动作的先后关系及互锁爱护。增加主泵的状态转换模块包括六种状态转换关系，三台主泵增开程序。下面以当前状态S20，增开2#主泵为例，用PLC的状态转移图(SFC)来说明泵增开过程，如图3-804.削减主泵的状态转换模块削减主泵是指在多台主泵供水时，变频器输出下限频率，水压处于压力上限时，按“先起先停”原则，将当前运行状态中最先进入工频运行的水泵从电网断开。5.远程手动限制通信模块初始化模块中设置好PLC和上位机的通信协议后，在PLC程序执行过程中，当接收到上位机的远程手动限制吩咐置M5M4=10时，PLC程序自动转入远程手动限制运行方式，接收水泵运行状态限制字。当接收到吩咐置M5M4=01时，先停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式。6.故障处理模块对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报警，并做出相应的故障处理。(1).欠水位故障进入状态S30，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，延时一段时间，自动进入SO状态。(2).变频器故障变频器出现故障时，对应PLC输入继电器X5动作，系统自动转入自动工频运行模块。此时变频器退出运行，三台主泵电机均工作于工频状态。该方式下的水泵的投入和切除依次和自动变频恒压运行方式时的大致相同，只是原来运行在变频状态下的电机改为了工频运行。由于没有了变频器的调速和PID调整，水压无法恒定。为防止出现停开一台水泵水压不足而增开一台水泵又超压造成系统的频繁切换，通过增加延时的方法来解决。设定延时时间为20分钟。(3).电机故障热继电器、空气开关一般用于电机爱护，二者的动作往往表明白电机潜在故障。检测到此类故障时，系统首先锁定故障电机，并自动投入下一台电机运行。此时系统处于“一辅泵两主泵”的运行状态。3.4PID调整原理在恒压供水系统中的应用在供水系统的设计中，选用了具有PID调整模块的变频器来实现闭环限制保证供水系统中的压力恒定，较好地满足系统的恒压要求。3.4.1PID限制及其限制算法在连续限制系统中，常采纳Proportional(比例)、Integral(积分)、Derivative(微分)限制方式，称之为PID限制。PID限制是连续限制系统中技术最成熟、应用最广泛的限制方式。具有以下优点：理论成熟，算法简洁，限制效果好，易于为人们熟识和驾驭。1模拟PID限制及算法PID限制器是一种线性限制器，它是对给定值:(t)和实际输出值y(t)之间的偏差e(t):e(t)=y(t)-r(t)(3一4)经比例(P)、积分(I)和微分(D)运算后通过线性组合构成限制量u(t)，对被控对象进行限制，故称PID限制器。系统由拟PID限制器和被控对象组成，其限制系统原理框图如图3-9。图中U(t)为PID调整器输出的调整量。PID限制规律为PID限制器各环节的作用及调整规律如下:(1).比例环节:成比例地反映限制系统偏差信号的作用，偏差e(t)一旦产生，限制器马上产生限制作用，以削减偏差。比例环节反映了系统对当前变更的一种反映。比例环节不能彻底消退系统偏差，系统偏差随比例系数K的增大而削减，比例系数过大将导致系统不稳定。(2).积分环节:表明限制器的输出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，限制就要发生变更，实现对被控对象的调整，直到系统偏差为零。积分环节主要用于消退静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Tl,Tl越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。(3)微分环节:对偏差信号的变更趋势(变更速率)做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，削减调整时间。微分环节主要用来限制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的TD对于干扰信号的抑制实力却将减弱。PID的三种作用是相互独立，互不影响。变更一个调整参数，只影响一种调整作用，不会影响其他的调整作用。然而，对于大多数系统来说，单独运用一种限制规律都难以获得良好的限制性能。假如能将它们的作用作适当的协作，可以使调整器快速，平稳、精确的运行，从而获得满足的限制效果。2.数字PID限制算法自从计算机进入限制领域以来，用数字计算机代替模拟调整器来实现PID限制算法具有更大的敏捷性和牢靠性。数字PID限制算法是通过对式(3-5)离散化来实现的。用一系列的采样时刻点nT代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到PID位置限制算法表达式:式(3-7)中，T一一采样周期，n一一采样序号，e(n)一一第n时刻的偏差信号，e(n-1)—第(n-1)时刻的偏差信号，y(n)—第n时刻的限制量。PID位置限制算法采纳全量输出，一方面须要计算本次与上次的偏差信号e(n),e(n-1)，而且还要把历次的偏差信号e(j)相加，计算繁锁，占用内存大;另一方面计算机输出的限制量u(n)对应的是执行机构的实际位置偏差，假如位置传感器出现故障，u(n)可能出现大幅度变更，引起执行机构的大幅度变更，这是不允许的。为此实际限制中多采纳增量式PID限制算法，其表达式为:增量式算法中不须要累加，调整器输出的限制增量△u(n)仅与最近几次采样有关，所以误动作时影响较小，必要时可以通过逻辑推断去掉过大的增量，而且较简洁通过加权处理获得比较好的限制效果。恒压供水PID调整过程分析恒压供水的目的就是要保证供水实力Qc适应用水需求Qu变更。当供水实力QG和用水需求Qu之间不能平衡时，必定引起压力的变更。因此，可依据压力的变更，来实现对供水流量的调整，维持供水实力QG和用水需求Qu之间的乎衡。在供水系统中，变频器、PID调整器、压力变送器、电机、水泵等构成了一个闭环限制系统，可以对供水实力实现有效的自动调整，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先据用户对水压的要求，给PID调整器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4～20mA的模拟电流信号反馈给变频器内置的PID调整器，PID调整器依据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调整量，自动调整变频器输出频率，调整电机转速，使供水量适应用水量的变更，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调整过程如下：(1).稳态运行当供水实力QG=用水需求Qu，目标压力信号;和压力反馈信号y相等，偏差e=y-r=0,PID输出的限制增量△u=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。如图3-10中的0～t1段。(2).用水量增加时当用水量增加，用水需求Qu>供水实力QG，水压下降，压力反馈信号y削减，偏差e=y-r<0,PID输出的限制增量△u>0，变频器输出频率上升，水泵转速上升，增加供水实力，最终达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。这是一个动态变更的过程，在达到新的平衡状态之前，压力反馈信号y、偏差e,限制增量△“均处于变更之中，其变更过程如图3-10中的tl～t3段，其中t2～t3段为增加用水量后新的平衡状态。(3).用水量削减时当用水量削减，用水需求Qu<供水实力QG，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0,PID输出的限制增量△u<0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，降低供水实力，最终达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。这一动态变更过程，如图3-10中的t3～t4段，其中t4段以后为削减用水量后新的平衡状态。变频器P