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    1 引言

    小區(qū)供水系統(tǒng)用于對小區(qū)內(nèi)生活、消防和噴淋用水的自動供給，是住宅小區(qū)公用設施的重要組成部分。供水系統(tǒng)通過對水泵、閥門等設備的開、關(guān)和聯(lián)鎖來實現(xiàn)小區(qū)的正常供水，從而達到居民正常生活和人員、設備安全的目的。

　　我國的電動機用電量占全國發(fā)電量的60%~70%，風機、水泵設備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風機、水泵等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。變頻調(diào)速恒壓供水控制裝置能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境，該系統(tǒng)可根據(jù)管網(wǎng)瞬間壓力變化，自動調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速和多臺水泵的投入和退出，使管網(wǎng)主干出口端保持在恒定的設定壓力值，整個供水系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能和運行在最佳狀態(tài)。

    2 水泵變頻調(diào)節(jié)原理

    由于風機、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當風機、水泵轉(zhuǎn)速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風量，應用變頻器節(jié)電率為20%～50%，而且通常在設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費。

    根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

 

    式中P1、H1、Q1為轉(zhuǎn)速N1的功率、揚程、流量；

    P2、H2、Q2為轉(zhuǎn)速N2的功率、揚程、流量。由此可見，當水泵在變負荷工作情況下，采用變頻器調(diào)節(jié)水泵電機轉(zhuǎn)速時，軸功率隨轉(zhuǎn)速比的三次方關(guān)系進行變化，節(jié)電效果明顯。

    3 PID調(diào)節(jié)的基本原理

    在工程實際中，應用最為廣泛的調(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)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(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，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能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)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

    3.1  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(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。

    3.2  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(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(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)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，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(wěn)態(tài)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(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。

    3.3  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(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（環(huán)節(jié)）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”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。這就是說，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(diào)。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(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。

    4 變頻恒壓供水系統(tǒng)設計

    傳統(tǒng)的供水模式采用屋頂水箱和水泵聯(lián)合供水，水質(zhì)容易受到二次污染，供水不安全。在全自動恒壓變頻供水裝置中直接提升供水，衛(wèi)生、安全、可靠，用戶隨時都能飲用新鮮水，避免了二次污染，且設備占地小、性能穩(wěn)定、能耗低等優(yōu)點。我們對運行環(huán)境進行了現(xiàn)場考察和反復研究，在可靠性、穩(wěn)定性、方便性等方面做了大量工作，采用先進、實用、可靠的PLC做控制，提出了基于和利時公司LM的控制方案。

    變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由兩部分組成，機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)主要由水泵、壓力罐和管路組成。控制系統(tǒng)主要由可編程控制器（PLC）、變頻器、智能壓力表、繼電器等組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

                 

                                    圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    該系統(tǒng)有6路數(shù)字量輸入、6路AC220V數(shù)字量輸出、1路4~20mA的變頻器頻率信號和1路4~20mA的壓力信號，同時對外輸出4~20mA的變頻器頻率信號，因此，本系統(tǒng)配置1個CPU模塊LM3105、1個模擬量輸入模塊LM3310和1個模擬量輸出模塊LM3320。系統(tǒng)的I/O表如表1所示：

    表1系統(tǒng)I/O分配表

                     

    5 工藝流程控制

    整個系統(tǒng)的控制對象是兩臺水泵，通過出口壓力決定投入泵的數(shù)量、變工頻切換和變頻器的工作頻率。PLC通過采集出口壓力和變頻器的當前頻率對頻率做反向的PID調(diào)節(jié)運算。PID參數(shù)的整定對于系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性、準確性和快速性起到至關(guān)重要的作用。PID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；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)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。該系統(tǒng)采用的是工程整定方法中的一種臨界比例法。臨界比例度法是采用純比例將系統(tǒng)投入自動，此時積分時間放最大，微分時間放0。逐漸減小比例度，使系統(tǒng)剛剛出現(xiàn)等幅振蕩，記下這時的比例度Pbc和振蕩周期Tc， PID的比例度和積分時間P=2.2PbcT=0.85Tc。系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示：

                     

                                        圖2 控制流程圖

    6 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)點

    自動化供水系統(tǒng)選用和利時公司的小型一體化PLC取代了原系統(tǒng)繼電器控制回路，減少了能源損耗，節(jié)省了人力資源，本系統(tǒng)有以下優(yōu)點。

    采集精度、分辨率高

    和利時公司LM模擬量模塊誤差在0.5%以內(nèi)，采用12位精度的數(shù)據(jù)寄存器。

    采集速度快

    和利時公司LM模擬量模塊采集周期小于6毫秒。

    可靠性高

    本系統(tǒng)的控制核心是和利時公司LM，能夠在惡劣的環(huán)境中長期、可靠、無故障地運行，接線簡單，維護方便，隔離性好，抗腐蝕能力強，能夠適應較寬的溫度變化范圍，平均無故障時間間隔（MTBF）大于15年。

    功能強大

    和利時公司LM的編程語言遵從IEC61131-3標準，易學、易懂、易用。除了具有傳統(tǒng)的指令表、梯形圖和功能塊圖等編程功能外，還具有結(jié)構(gòu)化文本和順序功能圖等編程功能。和利時公司的PLC系統(tǒng)提供了多種應用功能模塊，包括各種通訊功能模塊、可以具體到年月日和時刻的多種定時器和超長時間繼電器等，方便了各種功能的實現(xiàn)，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)省程序容量。

    7 結(jié)束語

    基于G3系列PLC的自動化供水系統(tǒng)，大大降低了供水的能耗，節(jié)省了人力資源，是供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

    參 考 文 獻

    [1] 《LM硬件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006

    [2] 《LM軟件手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006

    [3] 《LM指令與功能塊手冊》，杭州和利時自動化有限公司，2006