1、大功率自动供水控制系统1 引言 大功率自动供水控制系统的基本控制策略是:采用大功率电动机调速装置与微机控制器构成控制系统,进行控制优化泵组的调速运行,并自动调整泵组的运行台数,完成供水压力的闭环控制,从而在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值经运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在所设定的压力值左右。目前大功率自动供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频调速技术。本系统采用一台160KW大功率变频器控制两台水泵电机，实现变频自
2、动恒压供水控制，系统的控制装置采用TMS320F240 DSP进行控制，利用DSP实现泵组、阀门的逻辑控制，完成系统压力和流量的数字PID调节功能，对系统的各种运行参数、控制点进行实时监控和故障报警。本自动恒压供水系统具有标准的通信接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制。2 自动供水系统的节能原理在过去，风机、水泵等通用机械因为交流拖动本身不能调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，因而把许多电能白白的浪费了。如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上的能量节省下来，每台风机、水泵平均可以节约20%30%的电能，效果是很可观的。而且风机、水泵对调速范围和动态性
3、能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。于是，一般按工艺要求调速的场合也纷纷采用交流调速。离心水泵的H-Q曲线变频恒压供水技术是80年代后期发展起来的，主要用于楼宇高层的加压供水，具有水压恒定、水质好、占地小、无高位水箱、噪音小、节能等一系列优点。该技术能实现水泵的软起动，减小水泵起动时的冲击电流，使水泵的使用寿命延长，在调节水泵流量时，可以节约可观的能量。水泵的输出特性既决定于水泵的种类，也随供水管网系统的阻力特性曲线不同而
4、不同。离心式水泵的特性公式如下：P=kHQ/ (21) 式中，P水泵的功耗（kW）；Q使用工况点的水泵流量（m3/s）；H使用工况点的扬程（m）；K输出介质常数（kg/m3）；使用工况点的效率（%）。 图21 离心水泵的H-Q曲线图21给出了离心式水泵的HQ曲线，可见，在水泵的工作过程中，在等于原设计工况（点A）时效率最高，偏离这个工况（在B、C两点间）效率就会降低。根据水泵理论的相似定律，当水泵的转速发生变化时，它的扬程H、流量Q及水泵功率P也随之变化，它们之间的关系可以表示为： 流量Q与转速n的一次方成正比；扬程H与转速n的平方成正比；水泵功率P与转速n的立方成正比。 变频恒压供水系统的节
5、能原理 图22 供水流量变化时的H-Q曲线在图22中，水泵额定运行时的工况点D是泵的特性曲线Nn与管路阻力曲线R1的交点。传统的利用阀门控制的水泵，由于要减小流量，关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R1转移到R1扬程则从H0升到H1，流量从Qn减小到Q1，运行工况点从D点转移到A点。而调速控制水泵时，阀门没有开关变化，因此阻力曲线R1不变。为使流量改变，需要改变水泵的转速。如果把速度从Nn降到N1，特性曲线也从N0转移到N1。此时，运行工况点从D点转移到C点，扬程从H0下降到H3，流量从Qn减小到Q1。根据公式（21）求出，运行时，在A点水泵的功耗为PA=kH1Q1/，C点水泵的功耗为
6、PC=kH3Q1/，两者的差值为：P=PA-PC=k(H3-H1)Q1/。也就是说，用阀门控制水泵流量时，有功率被浪费掉了，并且这个损耗随着阀门的关小而增加。3 恒压供水系统的基本结构与控制原理恒压供水系统的基本结构供水系统由主供水回路,备用回路，储水池及泵房组成，其中泵房装有1#、2#共2台150kw泵机。另外，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量，系统需要供水量每小时开1台泵机向管网充压，供水量大时，开2台泵机同时向管网充压。要想维持供水网的压力不变，在管网系统的管道上安装了压力变送器作为反馈元件，为控制系统提供反馈信号，由于供水系统管道长，管径大，管网的充压比较慢，故系统是一
7、个大滞后系统，因此采用DSP参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。变频器选择FRN1 60G7P4实现电动机的调速运行。控制系统主要有DSP，变频器，切换继电器，压力传感器等部分组成。控制核心单元DSP根据手动设定压力信号与现场压力传感器的反馈信号经DSP的分析和计算，得到压力偏差和压力偏差的变化率，经过PID运算后，DSP将05v的模块信号输出到变频器，用以调节电机的转速以及进行电机的软起动，DSP通过比较模拟量输出与压力偏差的值，通过I/O端口开关量的输出驱动切换继电器组，以此来协调投入工作的电机台数，并完成电机的起停，变频与工频的切换可通过调整电机组中投入工作的电机台数和控制电机组中一
8、台电机的变频转速，使动力系统的工作压力稳定，进而达到恒压供水的目的。3.1.1 DSP的组成DSP控制系统采用TMS320F240 DSP为控制器件与一台160KW大功率变频器控制两台水泵电机的投入、退出、工频及变频运行，系统可实现压力反馈控制和流量反馈控制，恒压精度小于。DSP控制恒压供水系统硬件控制原理如图41所示，压力设定信号、压力反馈信号、流量设定信号、流量反馈信号由DSP内部自带的ADC转换器转换以实现数模之间的转换，压力给定与反馈在DSP中经PID调节器控制后由外部扩展芯片DAC210进行D/A转换后输出控制变频器实现恒压控制。为了实时监控恒压系统的压力和流量，本系统利用TMS32
9、0F240 SPI接口设计了显示电路，利用其显示系统的压力设定值、压力测量值、流量设定值、流量反馈值。 图31 DSP硬件控制原理图功能设置主要通过数字I/O扩展的键盘来实现控制系统功能的设定。为方便用户使用，考虑只使用四位按键：递增键（数值递增，或选项向前）；递减键（数值递减，或选项向后）；返回键（返回上一层操作菜单，或操作取消）；确定键（进入下一层操作菜单确定）。利用DSP的I/O输出端M1、M2、M3、M4分别控制两台水泵使其工频变频运行。M1控制A电机工频，M2控制A电机变频，M3控制B电机工频，M4控制B电机变频。为了确保系统运行安全可靠，系统设置了过压报警和水位报警。当检测到压力过
10、大，系统关闭输出，同时通过M7输出报警信号；当水位信号过低，通过继电器控制输入DSP，软件检测到转换后从M8输出报警信号。 供水系统的恒压控制原理DSP首先利用变频器软启动一台水泵电机，此时安装在供水管道上的压力传感器将实测的水压反馈回DSP，与给定值进行比较后通过PID调节器运算出控制量，调节变频器输出频率及电压，从而调节电机的工作情况。当用水量大时，变频器输出频率接近工频而供水管道水压仍未达到给定值下限，DSP将当前运行的变频泵切换到工频运行，再将变频器投入到第二台水泵电机，由变频器软启动该台泵，并进行变频调速控制。当用水量小时，供水管道的水压高于给定值的上限值，而变频器输出频率已达到最小
11、值时，则由DSP将最先投入的水泵电机退出运行，确保两台泵机在DSP和变频器的控制下轮换驱动，保证水压达到要求。为提高泵组的整体使用寿命，泵组的切换方式采用泵组不分主次，先投入者先退出，后投入者后退出的转换原则，使各泵组轮流工作，使用率均衡。图32恒压供水系统原理图 变频器恒压供水结构特点：技术先进：采用了变频器和DSP（PC/智能控制器）使设备根据各种供水要求实现智能化恒压变量供量供水；高效节能：系统能按需设定压力，系统根据设定的压力自动调节水泵转速和水泵运行台数，使设备运行在高效节能的最佳状态；供水压力稳定：系统实现闭环控制，能自动调节设定压力和系统压力的差值，是压力保持恒定；操作稳定：系统
12、由变频器或变频器加智能控制器自动控制，操作极为简单；延长电机、水泵寿命：各泵皆为软启动，消除了启动时的冲击电流。各泵循环启动，使备用水泵不会因长久不用而生锈或使用频繁而磨损。对消防实现定期巡检；完善的保护功能：具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护，水泵运行如有鼓掌，自动停止工作并报警输出；系统具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动备用泵等功能；小流量睡眠功能：可配接附属小泵，使系统运行在夜间或其它小流量情况下，自动关闭主泵，开启附属小泵，从而避免因开大功率水泵而造成的浪费；作功能：变频器和控制器的编程与设定方便简单，容易掌握；手自动切换功能：备有手动开关控制，可以保证设备的安全
13、连续运行具有分压分时供水功能:最多有六段时间控制，用户可自行设定，可实现无人值守。4 PID的控制规律变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。压力设定信号和压力反馈信号在输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输出给变频器一个转速控制信号。还有一种办法是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器,由PID回路调节器在调节器内部进行运算后，输出给变频器一个转速调节信号。一般的供水设备控制12台水泵，1台工作，1台备用。在这些水泵中，一般只有一台变频泵。
14、当供水设备供电开始工作时，先起动变频泵，管网水压达到设定值时，变频器的输出频率则稳定在一定的数值上。而当用水量增加，水压降低时，传感器将这一信号送入可编程控制器或PID回路调节器，可编程控制器或PID回路调节器则送出一个较用水量增加前大的信号，使变频器的输出频率上升，水泵的转速提高，水压上升。如果用水量增加很多，使变频器的输出频率达到最大值，仍不能使管网水压达到设定值时，可编程控制器或PID回路调节器就发出控制信号，起动一台工频泵，其他泵依次类推。反之，当用水量减少，变频器的输出频率达到最小值时，则发出减少一台工频电机的命令。由于变频器的转速控制信号是由可编程控制器或PID回路调节器给出的，所
15、以对可编程控制器来讲，既要有模拟量输入接口，又要有模拟量输出接口。由于带模拟量输入/输出接口的可编程控制器价格很高，这无形中就增加了供水设备的成本。若采用带有模拟量输入/数字量输出的可编程控制器，则要在可编程控制器的数字量输出口另接一块PWM调制板，将可编程控制器输出的数字量信号转变为控制变频器转速的模拟信号，造成可编程控制器的成本没有降低，还增加了连线和附加设备，降低了整套设备的可靠性。如果采用一个开关量输入/输出的可编程控制器和一个PID回路调节器，其成本也和带模拟量输入/输出的可编程控制器差不多。所以，在变频调速恒压给水控制设备中，PID控制信号的产生和输出就成为降低给水设备成本的一个关
16、键环节。 PID的设计原理及方法PID控制的原理基于下面的算式: (41) 其中:M(t):PID回路的输出，是时间的函数;Kc:PID回路的增益;e:PID回路的偏差(给定值与过程变量之差) ;Minitial:PID回路输出的初始值。为了能让数字计算机处理这个控制算式,连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值，数字计算机处理的算式如下: （42） 其中:Mn:在第n采样时刻PID回路输出的计算值;Mn=Kcen+KIKc:PID回路增益;en:在第n采样时刻的偏差值;en-1:在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);KI:积分项的比例常数; Minitial:PID回路输出
17、的初值; KD:微分项的比例常数。 由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值。利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为: （43） 其中:Mn:在第n采样时刻PID回路输出的计算值;Kc:PID回路增益;en:在第n采样时刻的偏差值;en-1:在第n-1采样时刻的偏差值(偏差前项);KI:积分项的比例常数;MX:积分项前值;KD:微分项的比例常数。PID调节器特点（1）比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。（2
18、） 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。（3）微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误
19、差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样,具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系
20、统在调节过程中的动态特性。5 自动供水系统的软件设计 状态转换单台DSP控制两台水泵电机，在变频器驱动和工频驱动下，按照先进先退、后进后退的转换原则，共有六种工作状态（设两台水泵电机分别为A、B）。（1）只有一台水泵电机进行变频工作，一台停机的情况：X1表示A变频工作，B停机，此时X1=1，M2=1，M1=M3=M4= 0；X2表示B变频工作，A停机，此时X2=1，M4=1，M1=M2=M3= 0。 （2）一台水泵电机进行工频工作，另外一台停机的情况：Y1表示A工频工作，B停机，此时Y1=1，M1= 1，M2=M3=M4= 0；Y2表示B工频工作，A停机，此时Y2=1，M3=1，M1=M2=M
21、4= 0。（3）一台水泵电机进行变频工作，另外一台进行工频工作的情况：Z1表示A变频工作，B工频工作，此时Z1=1，M2=M3= 1，M1=M4= 0；Z2表示B变频工作，A工频工作，此时Z2=1，M4=M1= 1，M2=M3= 0。 切换原则程序首先从0HZ由变频器驱动第一台泵组，当频率上升到50HZ，水压未达到设定水压时，经3min延时(期间频率保持在50HZ,若频率在50HZ不能保持3min,则延时取消,延时从下次频率上升到50HZ时计起)水压仍达不到设定的水压值,则DSP控制将第一台泵从变频驱动经转换时间后切换到电网工频驱动,然后DSP控制变频器再从0HZ启动第二台泵机.当水压大于设定
22、值时,变频器输出频率逐渐降低到30HZ,并使输出频率稳定在30HZ上2 min,若在2 min内水压仍大于设定值,则DSP控制将第一台工频驱动下的泵组切断电源停机,此后,水压下降,则快速拉升频率,变频器输出增加,使水压保持在设定的压力上,这样可充分提高各台泵组的效率,节约电能。 转换时间的设置为了确保变频器及泵组在变频器驱动与电网工频驱动切换过程中的安全，以及切换过程中水压波动小,因此在”变频”状态切换为”工频”状态时,应设定有一定的转换时间,此时间以100150ms为宜,本系统设为100ms。”变频”切换为”工频”状态时,首先切断变频器输出，然后接通电网工频电源。 软件参数的设置合理设置系统
23、的采样周期和PID调节器的参数，确保系统水压波动小于。在程序中加/减泵切换时，压力判断精度为= MPa，水压值在设定值-时，判断为加泵；水压值在设定值+时，判断为减泵。系统的采样周期过长、过短均影响压力稳定精度，本系统经现场调试选定为2s。对于两台150KW的水泵电机,此自动稳压供水系统水压可以在0任意设定。当水压大于设定值时，为了提高水泵电机的工作效率、节约电能，DSP控制变频器输出的最小频率为30Hz。本程序中设有水位检测保护与报警，超压检测保护与报警功能。当水压测量值大于设定值时为超水压状态。 程序流程图DSP控制变频自动恒压供水系统部分情况下的程序流程如图61所示。图中D1为压力给定值
24、；D2为压力反馈值。图51 系统程序流程图6 结论自动供水系统采用了变频器和DSP（PC/智能控制器）使设备根据各种供水要求实现智能化恒压变量供量供水，操作简单；系统能按需设定压力，根据设定的压力自动调节水泵转速和水泵运行台数，使设备运行在高效节能的最佳状态；实现闭环控制，能自动调节设定压力和系统压力的差值，使压力保持恒定；各泵皆为软启动，消除了启动时的冲击电流。各泵循环启动，使备用水泵不会因长久不用而生锈或使用频繁而磨损，对消防实现定期巡检；具有短路、过流、过压、过热、过载等多种保护，水泵运行如有故障，自动停止工作并报警输出；且具有自检、故障判断、故障记忆、故障显示、自动启动备用泵等功能；还
25、可配接附属小泵，使系统运行在夜间或其它小流量情况下，自动关闭主泵，开启附属小泵，从而避免因开大功率水泵而造成的浪费。参 考 文 献1陆秀令，阳文文。PLC控制的恒压变频供水系统J。自动化仪表，2004，25（4）：59-60。2刘和平，严利平，张学锋。TMS320LF240xDSP结构、原理及应用M。北京：北京航空航天大学出版社，2002.3章 云，谢莉萍。DSP控制器及其应用M。北京：机械工业出版社，2001。4FP1型可编程控制器C24/C40/C60操作手册Z.5变频器说明手册Z. 富士电机有限公司.6曾毅等.变频调速控制系统的设计与维护M. 济南:山东科学技术出版社,2000.7 陈国呈.PWM变频调速技术M.北京:机械工业出版社,2001。致 谢通过近一个月的努力,在老师和同学们的帮助下,尤其是指导老师的细心指导下,终于圆满完成了本次设计,在此对这次设计中帮助过我的老师和同学表示衷心的感谢.
