1、 .1 / 35繼電接觸式變頻恒壓供水控制系統設計繼電接觸式變頻恒壓供水控制系統設計摘摘 要要供水工程往往成為高層建筑或工礦企業和小型企業中最重要的基礎設施之一。任何時候都能提供足夠的水量、平穩的水壓、合格的水質是對給水系統提出的基本要求。本系統研究了變頻調速技術在民用建筑供水系統中的應用，采用繼電接觸式控制系統和變頻器作為主控單元，配合接觸器，PID 調節器，壓力傳感器，干簧管等構成了變頻供水的智能控制系統。其中為了節約成本采用繼電接觸式對系統進行邏輯控制，變頻器進行壓力調節，壓力傳感器時刻跟蹤水泵出口壓力和給定壓力值的偏差變化，經 PID 調節器部運算送入變頻器，由控制電路控制 3 臺電機

2、的起停以與工頻與變頻的切換，實現閉環自動調節恒壓變頻供水，在保持恒壓的前提下達到控制流量的目的。充分發揮了變頻調速的優勢，具有高效節能，自動控制，性能穩定的優點。關鍵詞：繼電器，接觸器，變頻調速，恒壓供水 .2 / 35ABSTRACTThe water supply project often becomes one of most important infrastructures in the high-rise construction or the Industrial and mining establishment and the Small businesses. Provid

3、ing the enough water volume at any time, the steady hydraulic pressure, the qualified water quality isthe essential requirements which proposed to the aqueous system. This system has studied the frequency conversion velocity modulation technology in the civil construction water supply systems applic

4、ation, usingrelay and contractor control system and the frequency changer, coordinates the contact device, the PID regulator, the pressure transmitter, reed pipes and so on to constitute the frequency conversion water supply intelligent control system. And to save the cost ,It usesrelay and contract

5、orto finish the logical control, the frequency changer to finish the pressure control, the pressure transmitter time track water pump outlet pressure and assigns the value of pressure the deviation change, sends in the frequency changer after the PID regulator internal arithmetic, controls 3 electri

6、cal machinery by the control circuit to stop as well as the power frequency and the frequency conversion cut, realizes the closed loop automatic control constant pressure frequency conversion water supply, maintains the constant pressure the premise issues the control current capacity the goal.This

7、systemhas fully displayed theadvantage of Vaviable frequency Control, has the excellence of energy conservation, automatic control, stable property merit.KEYKEY WORDS:WORDS: Relay, Contacor, ,Vaviable frequency Control, Constant pressure water supply .3 / 35目錄目錄前言前言 3 31.1 供水技術應用 31.2 變頻恒壓供水系統的發展 41

8、.3 本課題所需工作 5第一章系統組成與可行性分析第一章系統組成與可行性分析 6 61.1 變頻調速的基本原理 61.2 變頻恒壓調速在供水系統中的應用 61.3 系統工藝流程 61.4 控制要求與技術指標 71.5 可行性分析，節電分析 8第二章系統設計第二章系統設計 9 92.1 主電路設計 92.1.1 變頻器的工作原理 92.1.2 變頻器的發展 102.1.3 電機運行的控制 112.1.4 工頻變頻切換與變頻器工作的時序的關系 112.1.5 PID 調節器的應用和原理 112.2 確定控制方案 142.2.1 手動運行 152.2.2 自動運行 152.2.3 保護和報警系統 1

9、62.2.4 儀表顯示 172.2.5 控制電路圖 17第三章設備選型第三章設備選型 2020 .4 / 353.1 變頻器選型 203.2 水泵電機的選擇 203.3 接觸器 213.4 繼電器 213.4,1 熱繼電器 213.4.2 時間繼電器 223.4.3 中間繼電器 223.5 低壓斷路器 223.6 壓力變送器 233.7 調節器 233.8 干簧管 243.9 頻率顯示儀表 243.10 按鈕，萬能開關 243.11 指示燈 243.12 警鈴 253.13 固定線槽的選用 253.14 接線端子排的選用 25第四章控制柜設計第四章控制柜設計 26264.1 相關布置規定 26

10、4.1.1 設計準備工作 264.1.2 控制柜布局和器件配置 264.2 控制柜部布置 274.3 面板布置 27第五章結論第五章結論 28285.1 系統總結 285.2 系統特點 28結束語結束語 2929致致 3030參考文獻參考文獻 3131附錄附錄 A A3232附錄附錄 B B3333 .5 / 35前言1 供水技術應用：傳統的恒壓供水方式是采用水塔、高位水箱、氣壓罐等設施實現的。但是他們有不可避免的缺點。恒壓供水是指在供水網中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。供水網系出口壓力值是根據用戶需求確定的。水箱 / 水塔供水 系統用水由水箱 / 水塔直接供應，即為重力供水。

11、供水壓力比較穩定，且有貯水。但它是由位置高度所形成的壓力來進行供水，為此需要建造水塔或將水箱置于建筑屋頂的最高度。在大型建筑中即使如此，還常常不能滿足最不利供水點的供水要求，同時由于其存水量較大，在屋頂形成很大的負重，增加了結構的承重和占用樓層的建筑面積，也妨礙美觀。此外，屋頂水箱必須高出層面幾米，建筑立面較難處理，而且投資周期長。氣壓供水系統 氣壓給水系統不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅地下室或某些空余之處設置水泵機組和氣罐設備，采用壓力給水來滿足供水要求。氣壓供水系統是以氣壓罐代替水塔或高位水箱，利用密閉壓力水罐空氣的壓力將罐水壓送到管網中去，其優點是靈活性大、建設快、少受污染、

12、不妨礙美觀，有利于抗震、消除管道中的水錘與噪聲；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，還需使用力膜或設置空氣壓縮機充氣，因此消耗動力較多，維護費用高。變頻恒壓供水系統隨著變頻調速技術的日益成熟和廣泛應用，該技術得以在供水行業普與。變頻調速恒壓供水系統是根據用水量的多少，自動調整系統參數，最終實現向用戶恒壓供水，該系統具有以下優點：節約用水，供水的系統，常常由于夜間用水少，管道的壓力往往比白天高，水壓越高，管件越容易損壞，造成跑、冒、滴、漏，多次發生夜間崩管事故。 采用變頻器進行變頻恒 .6 / 35壓供水，管道保持恒壓，可杜絕崩管現象，減少跑、冒、滴、漏，從而節約用水。供

13、水量無級調節恒壓供水，可保持系統水壓恒定，不會出現水壓過高的現象，管道的壓力一直可維持在合理的圍，管接件所承受的壓力減小，延長了更換周期，減少了維修的投入，并且避免了管道崩裂事故。 對于電機和水泵來說，由于起動過程平緩，可運行在最佳工作狀態，不再產生“憋泵”現象，運行損耗小，發熱大為降低，從而延長了使用壽命。自動控制無人值守：無級調速、噪聲小、壓力穩定、穩壓精度極高。 工作穩定，水泵電機由變頻器軟起動無沖擊電流，有利于延長電機和水泵的壽命，也避免了水錘。完善的保護功能（過流、過壓、過熱、電機相間和對地短路等） ，多種報警輸出。 手動工須運行控制，可以保證設備的安全連續運行。2 變頻恒壓供水系統

14、的發展變頻調速技術在各個領域得到了廣泛的應用。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，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。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有著非常重要的意義，在短短的幾年，調速恒壓供水系統從早期的單泵調速恒壓系統逐漸為多泵系統所代替。國外不少生產

15、廠家近年來紛紛推出了一系列新型產品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58 泵切換卡；SANKEN 的 SAMCO-I 系列；ABB 公司的 ACS600、ACS400 系列產品；富士公司的 G11S/P11S 系列產品；等等。這些產品將 PID 調節器以與簡易可編程控制器的功能都綜合進變頻器，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器。恒壓供水調速系統的系統的穩定性、可靠性、自動化程度，節能等方面這些優越性，引起國幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發、生產這一高新技術產品。 目前該產品正向著高可靠性、全數字化微機控制，多品種系列化的方向發展。追求高度智能化，系列標準化是未來

16、供水設備適應城鎮建設成片開發智能樓宇、網絡供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。3 本課題所需工作：本設計就是一針對一個建筑物的供水系統，采用變頻器、PID 調節器、單片機、繼電器等器件的有機結合，構成控制系統，調節水泵的輸出流量，實現恒壓供水。組成一閉環控制系統，對水泵出口壓力進行控制，保持水壓恒定。當用水量發生變化時，可調節水泵速 .7 / 35度，或啟動第二臺水泵，保證水壓恒定。此控制系統具有生活、生產一體化的優點，高效節能。本著節約成本的考慮采用繼電接觸式控制系統，由繼電器，接觸器等器件構成控制回路包括自動、手動運行，多種保護、顯示等。第一章 系統組成與可行性分析1.1 變頻調速的基本原理

17、三相異步電動機電動勢的有效值為，上式中，kw1 為定子繞組系數，f 為mfNkwE11144. 4定子電流頻率，為定子每相繞組匝數，為每極最大主磁通。1Nm 由上式可見，要使保持不變，就必須使與 f 比值保持不變，即/f= const,但是m1E1E的大小無法從外部電路中進行測量，從電機理論中我們知道，在忽略定子繞組的繞組壓1E降時，電動勢與定子相電壓相等，即：，從而得出/f= const。頻率的下降會1E1U1E1U導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵心和線圈過熱。若頻率上升，則磁通降低，電磁轉矩減小，電動機的過載能力下降。顯然這些都是不允許的為此，要在降頻的同時還要

18、降壓。這就要求頻率與電壓協調控制，也就是說調速裝置輸出的電壓和頻率的比值應保持不變，因此這種變頻器被稱為 VVVF。 .8 / 35 傳統的籠型異步電動機調速方法有變頻調速、調壓調速、電磁轉差離合器調速、液力耦合調速。變頻調速以體積小、重量輕、調速圍寬、通用性強、保護完善、可靠性高，操作方便等優點后來者居上，成為交流電動機調速技術的主流，在國民經濟各個部門以與人民生活中都獲得了廣泛應用，經濟效益和社會效益都非常顯著。1.2 變頻恒壓調速在供水系統中的應用自從變頻調速技術成熟發展以來在供水系統中也得到了很好的應用，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，保持

19、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。變頻調速恒壓供水設備的主要應用于下列場合 高層建筑，城鄉居民小區，企事業等生活用水。 各類工業需要恒壓控制的用水，冷卻水循環，熱力網水循環，鍋爐補水等。 中央空調系統。 自來水廠增壓系統。 農田灌溉，污水處理，人造噴泉。 各種流體恒壓控制系統。1.3 系統工藝流程采用三臺水泵供水，壓力控制點設在水泵出口處，按此壓力設定值變頻調節水泵工況是常用方式，這種方式的控制點在給水設備間里，管理維護都比較方便。而恒壓供水的主要目標是保持管網水壓的恒定，水泵電機的轉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供電。在此這里有兩種配置

20、方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應的變頻器，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。如下圖為恒壓供水構成示意圖 .9 / 35圖中壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，變頻恒壓供水系統壓力傳感器，把水壓轉換成 420mA 的模擬信號，通過 PID 調節器送入變頻器，來改變電動水泵轉速。當用戶用水量增大，管網壓力低于設定壓力時，變頻調速的輸出頻率將增大，水泵轉速提高，供水量加大，當達到設定

21、壓力時，電動水泵的轉速不在變化，使管網壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。1.4 控制要求與技術指標三臺水泵供水，壓力控制點設在水泵出口處，用變頻器、調節器、繼電器、接觸器等組成閉環調節系統，以保正水泵出口壓力恒定。水泵的切換方式為：三臺水泵作變頻運行。當第一級變頻泵達到工頻運行時，第二臺備用泵變頻啟動。當第二臺變頻泵再次達到工頻運行時，第三臺備用泵變頻啟動。停泵時依次停第一、二臺泵。參數要求為： 1、用水量：正常供水量 20 立方米/小時，最大供水量 55 立方米/小時，揚程 68 米。2、用三臺水泵供水。 3、控制壓力為 0.3MPa，控制圍 0.3+0.02MPa，同時設定壓力可調。 4、設

22、定自動、手動。 5、各種所需保護。 6、面板上有壓力、頻率、電壓等顯示。1.5 可行性分析，節電分析在城市配水管網的壓力經常或周期性的室所需要的供水壓力，室用水量較大且不均勻時，供水不足或過剩的情況時有發生。這種不平衡集中反映在壓力上：用水多而供水少，壓力低。用水少而供水多，則壓力大。若能保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，從而提高供水的質量。為了達到這一目的避免傳統的供水措施的缺陷和不足可采用采用變頻恒壓供水系統。根據理論分析，當電源電壓一定時，電機消耗的功率與其轉速的立方成正比，即 3)2/1(2/1nnNN其中 N1 和 N2 是電機消耗的功率， n1 和 n2 是相應于 N

23、1 和 N2 的轉速。當水泵的揚程一定時，其出水量與轉速成正比，即： 其中，Q1 和 Q2 表示相應于2/12/1nnQQn1 和 n2 的水泵的出水量。因此在維持水泵壓力恒定的條件下，通過調整水泵機組的轉速從而調整水泵的出水量，就可以大大節約電機所消耗的功率而達到節能的目的。我國國家科委和國家經貿委中國節能技術政策大綱中把泵和風機調速技術列為國家九五計劃重點 .10 / 35推 廣節能技術項目。應當指出，變頻恒壓供水節能效果主要取決于用水流量變化情況與水泵合理選配，使變頻 恒壓供水具有優良節能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯供水模式。由多泵并聯恒壓變頻供水理論可知多泵并聯恒壓供水，其中一臺泵

24、是變頻泵，其余全是工頻泵，多泵并聯變頻恒壓變量供水工作模式通常是這樣：當用水流量小于一臺泵工頻恒壓條件下流量，由一臺變頻泵調速恒壓供水；當用水流量增大，變頻泵轉速自動上升；當變頻泵轉速上升到工頻轉速，為用水流量進一步增大，由變頻供水控制器控制，自動啟動一臺工頻泵投入，該工頻泵提供流量是恒定(工頻轉速恒壓下流量)，其余各并聯工 頻泵按一樣原理投入。一般的說，變頻調速恒壓供水方式用于生活供水，節電效率很高，可達 50% ，用于工業供水則在 30% 40% 之間。例一個居民小區的供水水泵功率為 15kw，每天維持水壓和小流量供水的時間約占全天的 2/3，這個時段消耗的電能約 120kwh，如果采取特

25、別的節能措施，起碼節約 100kwh 的電能，一年下來就是 36000kwh，按每 1kwh 電能 0.65 元計算，每年可節約 2.34 萬元。可靠性、使用壽命、整體造價是用戶關心的問題，也是生產廠家關注的問題。恒壓供水控制器、變頻器的質量好壞決定了設備的可靠性和使用壽命。我公司主要采用國際知名品牌變頻器和單片計算機為產品配套，生產中嚴格按照 ISO9001:2000 規進行檢驗，整套設備主要部件使用壽命一般在 10 年以上.。對于郊區或農村用水量變化大的用戶，變頻調速恒壓供水方式更加優越。綜上所述，此方案具備可行性。第二章 系統設計2.1 主電路設計如下圖為電控系統的主電路圖。三臺電機分別

26、為 M1，M2，M3。接觸器 KM1，KM3，KM5分別控制電機 M1，M2，M3 的工頻運行;接觸器 KM2，KM4，KM6 分別控制電機 M1，M2，M3 的變頻運行;FR1，FR2，FR3 分別為三臺水泵電機的過載保護的熱繼電器; QF1，QF2，QF3，QF4 分別為三臺水泵電機和變頻器的低壓斷路器。QF 為總斷路器。主電路圖 .11 / 352.1.1 變頻器的工作原理實現變頻調速的裝置稱為變頻器。變頻器一般由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以與控制器（MCUDSP）等部分組成。 .12 / 35 整流部分，如圖所示 D1 D2 D3 D4 D5 D6，這六個二極管把三相整流成直流

27、電，小功率變頻器一般直接使用整流二極管整流，某些品牌如西門子，ABB 等歐洲品牌的變頻器，55KW或以上變頻器則采用半控或全控三相橋式整流；直流部分，由 C1 C2 R1 R2 組成直流環節，主要作用是濾波，使電壓保持穩定，以與承擔整流與逆變部分能量轉換；逆變部分，有 VR1 VR2 VR3 VR4 VR5 VR6 組成逆變電路，這六個逆變開關管有規律的關斷與導通，把直流電變成頻率與電壓可調的交流電。首先將單相或三相交流電源通過整流器并經電容濾波后，形成幅值基本固定的直流電壓加在逆變器上，利用逆變器功率元件的通斷控制，使逆變器輸出端獲得一定形狀的矩形脈沖波形。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度控制

28、其電壓幅值；通過改變調制周期控制其輸出頻率，從而在逆變器上同時進行輸出電壓和頻率的控制，而滿足變頻調速對 U/f 協調控制的要求。2.1.2 變頻器的發展變頻器的發展今的變頻器有突顯的數值化，智能化特征。隨著計算機技術的飛速發展，人們對數字化信息的依賴越來越強。為了使交流調速系統與信息系統緊密結合，同時也為了提高交流調速系統自身的性能，必須使交流調速系統采用全數字化控制模式。單片機已經在交流調速系統中得到了廣泛地應用。例如由 Intel 公司 1983 年開發生產的 MCS - 96系列是目前性能較高的單片機系列之一，適用于高速、高精度的工業控制。其高檔型：8196KB、8196KC、8196

29、MC 等在通用開環交流調速系統中的應用較多。而且由于交流電機控制理論不斷發展，控制策略和控制算法也日益發展深化。擴展卡爾曼濾波、FFT、狀態觀測器、自適應控制、人工神經網絡等等先進理論均廣泛應用到了各種交流電機的矢量控制或直接轉矩控制當中。DSP 芯片被廣泛的應用。如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其較高的性能價格比成為了全數字化交流調速系統的首選。最近 TI 公司推出的 MCS320F240X 系列產品更將價格降低到了單片機的水平。 在交流調速的全數字化的過程當中，各種總線網絡也扮演了相當重要的角色。STD 總線、工業 PC 總線、現場總線以與 CAN 總線等在交流

30、調速系統的自動化應用領域起到了重要的作用。2.1.3 電機運行的控制三臺電機分別為 M1，M2，M3。接觸器 KM1，KM3，KM5 分別控制電機 M1，M2，M3 的工頻運行;接觸器 KM2，KM4，KM6 分別控制電機 M1，M2，M3 的變頻運行。每一臺電機設低壓斷路器和熱繼電器作為保護。手動狀態下每個電機設置一啟動按鈕，一停機按鈕自由控制電動機的起停，每一臺電機工頻變頻之間有互鎖。在自動狀態下電機之間工頻變頻之間的切換由壓力信號來控制。當頻率達到上線，壓力達到下限時，用壓力信號來控制變頻轉工頻，同時啟動下一臺泵的變頻，在壓力達到上限時，控制停機，若三臺泵都已啟動則先停 M1 的工頻，如

31、果用水量還是較小，壓力再次達到上限時停 M2 的工頻，只留下 M3 變頻運行。若只有M1，M2 運行，則先停 M1，留 M2 變頻運行。當下次有壓力下限信號來的時候 M3 變頻轉工頻，M1 工頻再次啟動，然后再次運行如前。若是 M3 工頻，M1 工頻，M2 變頻的狀態，停機的時候是先停 3 號泵，再停 1 號泵，留 2 號泵變頻運行。同理若 M2,M3 工頻，M1 變頻，則先停 .13 / 352 號泵，再停 3 號泵。如此往復循環起泵停泵。2.1.4 工頻變頻切換與變頻器工作的時序的關系為了避免變頻器在沒有負載時依然有輸出，在變頻和工頻的切換過程中，變頻器可以在適合的時候關閉，所用變頻器有一

32、個端子由繼電器的常開觸點控制，比如從一號機的變頻傳工頻再切換二號機的變頻時，要求先斷開接觸器常閉觸點，關閉變頻器輸出，然后通過 KM1 斷開一號電機的變頻，接通 KM2 啟動工頻，再接通二號機的變頻，最后才閉合變頻器上的常閉觸點再次啟動變頻器，實現了無擾切換。2.1.5 PID 調節器的應用和原理（1）調節器的原理調節器是一種電子裝置，它具有設定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網水壓的實測值、根據給定值與實測值的綜合依一定的調接規律發出的系統調接信號等功能。調節器的輸出信號一般是模擬信號，4-20mA 變化的電流信號或 0-10V 間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用

33、于驅動執行器設備工作。在變頻器恒壓供水系統中，執行設備就是變頻器。在工程實際中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用 PID 控制技術。PID 控制，實際中也有

34、 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。（2）PID 的控制規律比例（P）控制：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系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差（Steady-state error） 。 積分（I）控制：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系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統（System with Steady-state Error） 。為了消除穩態誤差，在控制器中必須引入“積分項” 。積分項對誤差取決于

35、時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩態誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統在進入穩態后無穩態誤差。 微分（D）控制：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）成正比關系。 自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在有較大慣性組件（環節）或有滯后(delay)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 .14 / 35零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說

36、，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項” ，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統在調節過程中的動態特性。（3）PID 算法的數學模型PID 控制的原理基于下面的算式:其中: M(t): PID 回路的輸出，是時間的函數; Kc: PID 回路的增益;e: PID 回路的偏差(給定值與過程變量之差) ; Minitial:PID 回路輸出的初始值。 為了能讓數字計算機處理這

37、個控制算式,連續算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值，數字計算機處理的算式如下: 其中:Mn: 在第 n 采樣時刻 PID 回路輸出的計算值; Kc: PID 回路增益; en: 在第 n 采樣時刻的偏差值; en-1: 在第 n-1 采樣時刻的偏差值(偏差前項); KI: 積分項的比例常數; Minitial: PID 回路輸出的初值; KD: 微分項的比例常數。 由于計算機從第一次采樣開始，每一個偏差采樣值必須計算一次輸出值，因此只需要保存偏差前值和積分項前值。利用計算機處理的重復性可以化簡以上算式為:其中:Mn: 在第 n 采樣時刻 PID 回路輸出的計算值; Kc: P

38、ID 回路增益; en: 在第 n 采樣時刻的偏差值; en-1: 在第 n-1 采樣時刻的偏差值(偏差前項);KI: 積分項的比例常數; MX: 積分項前值;KD: 微分項的比例常數。(2) PID 算法改進 .15 / 35CPU 實際使用以上簡化算式的改進形式計算 PID 輸出，這個改進型算式為:Mn=MPn+MIn+MDn其中:Mn: 第 n 采樣時刻的計算值;:第 n 采樣時刻的比例項值; :第 n 采樣時刻的積分項值; :第 n 采樣時刻的微分項值;Kc: 增益; SPn: 第 n 采樣時刻的給定值; PVn: 第 n 采樣時刻的過程變量值; PVn-1: 第 n-1 采樣時刻的過

39、程變量值; Ts: 采樣時間間隔; TD: 微分時間; TI: 積分時間; MX: 第 n-1 采樣時刻的積分項(積分項前值)。 根據反饋原理：要想維持一個物理量不變或基本不變，就應該引這個物理量與恒值比較，形成閉環系統。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，從而形成閉環系統（4）PID 控制的優點原理簡單，使用方便 適應性強，可以廣泛應用于化工，熱工，冶金，煉油以與造紙，建材等各種生產部門，即使目前最新式的過程控制計算機，其基本的控制功能也仍然是 PID 控制魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。2.2 確定控制方案用變頻器、調節器、繼電器、接觸器等組成

40、閉環調節系統，以保正水泵出口壓力恒定，原理如圖所示事先給定一個壓力值 H0，H0 按用戶的水壓要求來設定，壓力值可調，水泵啟動后，壓力傳感器測量水泵出口處的壓力值 H，由于用水量大供水相對不足時壓力會小，通過比較器， .16 / 35所以當 H 低于 H0 時，控制器向變頻器發送提高水泵轉速的控制信號。反之，因為用水量小，供水相對過剩時壓力大，如果 H 大于 H0 時， 控制器則發送降低水泵轉速的控制信號。電動機 n=60(1-s)f/p,電動機的轉速和頻率成正比，變頻調速器則一次調節水泵工作電源的頻率，轉變水泵的轉速，從而達到了以給定壓力值為參數的閉環恒壓供水系統。變頻器采用 VVVF，即變

41、壓變頻調速系統，因為在調節 f 時，為了保持調速時電機最大轉矩不變，需維持電機的磁通量恒定。這樣就要求定子供電電壓也要相應的調節。變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環狀啟動并先開先停工作模式。這種供水模式中，當供水流量少于變頻泵恒壓工頻下流量時，由變頻泵自動調速供水，當用水流 量增大，變頻泵轉速升高。當變頻泵轉速升高到工頻轉速 ，由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網直接 供電(不變頻器供電)。變頻器則另外啟動一臺并聯泵投入 工作。隨用水流量增大，其余各并聯泵均按上述一樣方式投入。為延長水泵電機使用壽命，所有水泵依次循環起動運行。控制系統分手動、自動兩檔。2.2.1 手動運行但臺泵各設一手

42、動和停機按鈕，按下啟動按鈕接通水泵工頻，有接觸器長開按鈕自鎖。停機時按停機泵，各臺泵之間沒有互鎖，由值班人員自由控制起停2.2.2 自動運行壓力信號與頻率信號的關系設置一個總開關，按下后先啟動一號泵變頻，因為只有先達到頻率上限才有可能達到壓力下限，若達到壓力下限頻率上限肯定就已經滿足了，頻率上限是壓力下限的必要條件，所以由壓力下限信號控制泵啟動即可。同理頻率到達下限時才有肯能達到壓力上限，所以用壓力上限信號控制停泵。啟動一號泵變頻啟動后，KM1 得電，它的常開觸點閉合，在信號回路中為接通 KA1 做好準備工作，同時接通 KA15，KA15 的常開閉合，為壓力信號回路的動作做好準備，當壓力下限信

43、號來臨的時候，為防止是不穩定的信號產生的抖動，加時間繼電器 KT0 延時 5 s，若在這 5 s 壓力下限信號消失，時間繼電器失電則無法繼續延時，觸點也不會動作，若壓力下限信號保持 5s 以上，則時間繼電器 KT0 的常開閉合，接通 KA9，KA9 得電，則 KA1 的線圈可得電，后串在 M1 變頻回路的 KA1 的常閉斷開，切斷 M1 的變頻，為防止當變頻還沒有切斷工頻就運行，這會導致變頻器的輸入和輸出被串聯，所以延時 2S 再接通 M1 的工頻，所以在 KA1常開閉合時接通 KT1，它的常開是串在 M1 的工頻回路中的，延時 2S 后，接通 KM2，工頻開始運行，KM2 得電，它的常閉閉斷

44、開，和 KM1 形成互鎖，4 個常開閉合，第一個形成自鎖；第二個使得 KM3 得電，接通 M2 的變頻，M2 開始變頻運行；第三個接通 KA16，KA16 的常開閉合為壓力上限回路做好準備；第四個在信號回路中為接通 KA4 做好準備。 如果供水量再次增大，一臺工頻，一臺變頻仍然無法滿足要求。這時 KM1 不帶電，KM3帶電，KM3 的常閉為接通 KA15 和 KA2 做好了準備，壓力下限信號再次來到，經 5S 的延時再 .17 / 35次接通 KA9，KA9 常開閉合，KA2 的線圈得電，KA2 的常閉斷開，也就使 KM3 失電，斷開了M2 的變頻運行。同理 KA2 常開閉合接通 KT2 延時

45、 2S 后接通 KM4，M2 開始工頻運行，KM4 得電，KM4 的 4 個常開閉合，同 KM2 一樣，第一個形成自鎖；第二個使得 KM5 得電，接通 M3的變頻，M1 開始變頻運行；第三個接通 KA16，KA16 的常開閉合為壓力上限回路做好準備；第四個在信號回路中為接通 KA5 做好準備。現在達到了最大供水狀態，M1,M2 工頻運行，M3變頻。 如果停機過后，只有 M3 在變頻運行，供水量再次增大的時候，M3 轉工頻，啟動 M1 的變頻，具體過程如前所述。停機 若供水量需求降低，管網壓力上升，頻率下降，到達了壓力上限，需要停泵處理。現在的狀態，KA16,KM2,KM4,KM5 得電，KA1

46、6 的常開閉合，為壓力上限回路接通做好了準備，KM2 的常開為 KA4 接通做好了準備，同時 KM2 的常閉斷開了 KA5 的回路，這樣只有當 KM2 失電的時候，KA5 才會接通，而 KA4 常閉是串在 KM2 回路上的,KA5 的常閉串在 KM4 回路上，就實現了先停 M1,后停 M2，M1 沒有停的情況下 M2 不能停機。 當壓力下限到來的時候，為防止是不穩定的信號產生的抖動，加時間繼電器 KT4 延時5S，若在這 5S 壓力下限信號消失，時間繼電器失電則無法繼續延時，觸點也不會動作，若壓力下限信號保持 5S 以上，則時間繼電器 KT4 的常開閉合，接通 KA10，KA10 得電，KA1

47、0常開閉合，接通 KA4，KA4 得電它的常閉斷開，KM2 回路被斷開，KM2 失電，失電后 KM2 常閉重新閉合，為接通 KA5 做好準備，如果停一臺泵不夠，壓力上限信號再次到來，同理，接通 KA10,再接通 KA5，KA5 得電它的常閉斷開，使得 KM4 失電，斷開 M2 的工頻。此時只剩M3 一臺泵變頻運行。 也有可能壓力上限來的時候并沒有達到最大的供水狀態，比如 M1 工頻，M2 變頻， KM2為接通 KA4 做好準備，則停泵時只會接通 KA4,斷開 KM2，KM3 照樣繼續運行。而只有一臺泵變頻運行的時候，不太可能達到壓力上限。綜述系統采用了時間繼電器，為保證工作過程的安全和完善，采

48、用不同的中間繼電器，分別控制不同水泵啟動和停機，滿足了各種工況。采用循環起停方式。如圖2.2.3 保護和報警系統主電路 .18 / 35三相總供電電路上設置一總空開，每一臺電機設一空開。過載保護，為了防止電動機因長期過載運行而使電動機繞組的溫升超過允許值而損壞，需用熱繼電器采用熱保護。當某一個熱繼電器得電后常閉斷開該熱繼電器接的上的控制電路，常開閉合接通警鈴報警，同時和 3 臺電機對應的故障指示紅燈亮。水位達到下限時，亮水位下限指示紅燈并自動停所有泵，警鈴響。故障報警時，有操作人員按復位按鈕停掉報警鈴聲，打手動檔，用非故障泵繼續進行供水，并對故障泵進行維修。控制電路：控制電路接通后有電源指示燈

49、。每一臺泵有運行指示燈，變頻運行為綠色，工頻運行為黃色。控制電路設一兩級空開，一方面保護控制電路，一方面可以在檢修或者故障時把它與主電路斷開，較之用熔斷器有它的優勢。變頻器：變頻器出故障的時候，在變頻器報警輸出口接報警指示燈，將變頻器報警的常開觸點接到控制電路里去，若出現故障會接通繼電器 KA7，會控制正在運行的電動機停機。2.2.4 儀表顯示變頻器上外接數字顯示儀表可以顯示頻率值 壓力值在調節器上可以顯示，可顯示給定值和當前值。 .19 / 352.2.5 控制電路圖 .20 / 352.3 相關控制功能實現自動平穩切換，恒壓控制 .21 / 35主水管網壓力傳感器的壓力信號 420mA 送

50、給數字 PID 控制器，控制器根據壓力設定值與實際檢測值進行 PID 運算，并給出信號直接控制變頻器的轉速以使管網的壓力穩定。由于采用繼電接觸式控制的壓力自動控制，可以實現無人遠程操作由于系統采用閉環恒壓控制，電機在滿足主水很容易網的壓力的前提下，節能效果顯著；通過采用變頻器控制，可在不同季節、節假日、日夜與上下班等全面調控水量第三章 設備選型3.1 變頻器選型 變頻器選擇水泵風機專用變頻器，本設計本著經濟的原則選擇，選擇國產易能電氣的EDS2000 系列變頻器，它具有優質的軟硬件平臺，方便快捷的操作模式，完善的輔助控制功能，強大的控制功能。電機功率為 11KW，電源供電為三相 380V，水泵

51、專用變頻器，故查產品手冊選擇變頻器EDS2000-4T0110P/B,此變頻器具有外接頻率表顯示端口 D0，可以用接觸器來控制變頻器的起停，用 PWD 正轉/停止端口實現。 .22 / 353.2 水泵電機的選擇供水系統的水泵用離心泵比較合適， ISW 型 0 臥式清水離心泵，供輸送清水與物理化學性質類似于清水的其它液體之用，適用于工業和城市給排水、高層建筑增壓送水、園林噴灌、消防增壓、遠距離輸送、暖通制冷循環、浴室等冷暖水循環增壓。所以在這里選擇滬工的臥式離心泵。以最大用水工況選擇水泵功率。要求的最大流量是 55 立方米/小時，揚程 68 米所需功率計算公式，tghvP/其中為水的密度，g

52、為重力加速度，h 為揚程，t 用來換算單位，1 小時=3600 秒。kwP2 .10360055*68*8 . 9*10*0 . 13一共有三臺水泵，用總需功率平均下來 可以使變頻器的容量變小，可輪流工作。，三臺泵選擇一樣的容量但要考慮效率，水泵電機的效率一般在 50%左kwkwp4 . 332 .10右，還有揚程至少要達到 68 米，流量要達到平均水平 20 立方米/小時，最后查產品手冊選擇得出上滬電機 ISW50250（I）A，流量達 23.4 立方米/小時，揚程 70 米，效率 50%,電機功率11kw,重量為 170kg。3.3 接觸器 繼續本著節約成本的原則，接觸器，繼電器，斷路器等

53、低壓控制器件都選擇國產二一三電器 XX 公司的產品。 水泵的負載屬于 AC3 類的負載，GSC3-09-95 AC 接觸器較適合，它主要用于交流 50HZ，額定工作電壓至 660V，在 AC-3 使用類別下額定工作電壓為 380V 時額定工作電流為 9-95A的電路中，供遠距離接通和分段電路與頻繁啟動，控制交流電動機。 電動機的額定功率為 11kw,，所以,電eNNIUPcos3AIe3 .19380*866. 0*732. 111000機的額定電流為 19.3A，接觸器的額定工作電流要大于電機的額定電流，通過被控制電機的功率和額定電流確定接觸器選擇 GSC3-25 20，GSC3-25 本身

54、包含三個主觸點，一個常開輔助觸點，一個常閉輔助觸點，而根據控制線路圖可知 KM1 KM2 KM3 的輔助觸點需要三個常開，一個常閉，于是需要加裝輔助觸頭組，現選擇 F3-20d1 觸頭組，它有兩個 NO。KM2 KM4 .23 / 35KM63 的輔助觸點需要 5 常開，3 常閉，所以加裝兩組輔助觸頭組，F3-20d1 觸頭組裝在側面和 F3-22d 觸頭組裝在上方。原件外形和尺寸如下3.4 繼電器3.4,1 熱繼電器的 JRS4-dR 系列熱過載繼電器適用于交流 50HZ/60HZ，額定絕緣電壓 690V，額定工作電壓至 660V，電流 0.1A-36A 的電路中，用作交流電動機的過載和斷相

55、保護之用。 由熱元件的額定電流調節圍選定調節圍在 17-25A 之間的 JRS4-25 322 dR, 即額定工作電流為 25A原件外形和尺寸如下3.4.2 時間繼電器 GSTR1-E 系列電子式時間繼電器是一種新穎的時間繼電器，它除了具有延時精度高，延時圍寬等特點。選擇 GS TB1-A22 E/MK，控制電壓 220V ,卡軌式安裝。KT0 和 KT4 整定通電延時時間 5S，KT1,KT2,KT3 整定通電延時時間 2S。3.4.3 中間繼電器的 JZC3-E 系列接觸器式繼電器，適用于交流 50HZ，電壓至 380V 或直流電壓至 220V 的控制電路中，做控制各種電磁線圈，放大或傳輸

56、信號之用，繼電器一側可方便地加裝輔助 .24 / 35鋤頭組選 JZC3-E F3。根據常開常閉觸點的數目選擇KA1 到 KA3 需要 2NO,1NC；KA4 到 KA6 需要 1NO，1NC；KA81 需要 NO；KA11 到 KA13 需要 1NOKA15 和 KA16 需要 2NO，故都選擇 JZC3-31E，三常開一常閉。KA9,KA10 需要 4NO,故選擇 JZC3-40EZ。KA17,KA18 需要 2NO2NC，故選擇 JZC3-22E。KA14 需要 4NC,而 NC 最多只有 2 個，故選擇 JZC3-22E 并添加輔助觸頭 F3-02E（2 個 NC） 。KA7 需要 3

57、NO，2NC，故選擇 JZC3-31E，然后再添加輔助觸頭 F3-02E（2 個 NC） 。3.5 低壓斷路器 裝置式斷路器有一絕緣塑料外殼，裝觸點系統，滅弧室與脫扣器等，可手動或電動合閘，有較高的分段能力和動穩定性，有較完善的選擇性保護功能，廣泛用于配電線路中。選用 DZ20 系列塑料外殼式斷路器，適用于交流 50HZ 或 60HZ，額定絕緣電壓為 660V，額定工作電壓 380V 與以下或直流額定工作電壓 220V 與以下，額定電流至 225A 的電路中，一般作為配電和保護電動機用。在正常情況下，斷路器可以分別作為線路的不頻繁轉換機電動機的不頻繁啟動之用。其中配電用斷路器在配電網絡中用來分

58、配電能和線路與電源設備的過載，短路與欠電壓保護。保護電動機用斷路器，在配電網絡中用作鼠龍型電動機的運轉中分斷與電動機的過載，短路和欠電壓保護。系統一共用 5 個斷路器，其中 3 個用于三臺電機的保護，1 個用于總電路的保護，對于三臺電機，電機的額定電流為 19.3A，過載保護電流 Idz=KkIn（Kk=1.051.1）,低壓斷路器的瞬時過電流脫扣器的整定電流 Idz=（1012）Ie，所以 Idz 為 212.3A,選擇 DZ20 255對于總電路的保護，選擇 DZX2/4-800/3。對于控制電路，選擇 2 級保護的斷路器，GSB2-C25/2P。級間配合：（下級整定值大于上級整定值的 5

59、0%60%，線路的過載保護一般作為下級線路過電流保護的后備保護）所選斷路器高 402，寬 109，厚 142。 .25 / 353.6 壓力變送器選用昌暉儀表的 SWP-T20X 經濟型壓力變送器。采用國際先進水平的進口瓷壓阻傳感器，配合高精度電子元件經嚴格的工業過程裝配而成。具有優異的技術性能，穩定性高，測量精度高。最后選擇 SWP-TX20 R1FA5E5R 瓷壓阻變送器,測量圍為 00.4MPa，工作電壓直流 24V，選擇的調節器可以給壓力變送器提供工作電源。不用再添加電源。外形尺寸 120*60*100mm，由于有 PID 調節器供電，壓力變送器可不加外加電源。3.7 調節器XSC9

60、系列 30 段可編程 PID 控制器。該控制器基于我公司產品序列中的 XSC5 系列智能PID 調節儀，其操作、接線方式與 XSC5 兼容。對于停機啟動具有專門的處理程序。同時還可以根據不同的啟動狀態，設置不同的啟動方式。面板上顯示信息豐富，可以通過面板上的快捷鍵直接確定程序曲線的運行、暫停和終止。目前，XSC9 系列 30 段可編程序控制器提供 16080，80160，9696，9648，4896 五種尺寸，具有 3 點報警，多種輸入、輸出信號，可選變送、通訊、外供電功能。外供電電壓有 12V 和 24V，給壓力變送器供電。3.8 干簧管 當水位液位達到下限，如果繼續抽水則地下水箱水枯竭，產