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1、恒压供水的理论分析及方案设计摘 要：随着油田的迅速发展，对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提 高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到油田供水领域， 成为对供水系统的新要求。关键词：变频调速；恒压供水；变频器目录1 供水压力和变频器输出频率的关系22 恒压控制的理论分析42.1 恒压控制的理论模型42.2 变频恒压供水的近似数学模型53 变频恒压供水系统的构成及工作原理63.1 变频恒压供水控制系统控制方案的设计与选择63.2 变频恒压供水系统的构成73.3 变频恒压供水系统的控制流程93.4 变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析11结 论14参考文献141供水压力和变频器
2、输出频率的关系在变频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现 的。确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控 制算法的依据。送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成 对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心 力将水流甩出去。离心泵也因此得名。在给水排水工程中，从使用水泵的角度来 看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起。在给水排水工 程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为“装置”，在控制系统的设计 中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单的 孤立水
3、泵。图 1.1 离心泵装置在水泵机构和理论中，有一些评价水泵性能的性能参数，这里把与本文研究 有关的几个参数列举如下：扬程(H)单位重量液体通过水泵后的能量的增量；流量(Q)水泵在单位时间内所输送的水体体积；轴功率(N)原动机输给水泵的功率成为水泵的轴功率；效率(耳)水泵的有效功率和轴功率之比，其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能 量叫做有效功率；转速(n)水泵叶轮的转动速度。根据水泵理论，在图 1.1 中，H = AZ + P + PY2g( 1-1)P真空表读数 ( 公斤 / 厘米 ) ；vP压力表读数 ( 公斤 / 厘米 )dYAZ水的容重；水泵出水口测量点与进水口
4、测量点位置差造成的附加扬程。守水泵出水口与进水口的动能增量转化的扬程咏由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进 水口抽真空，所以在进水口的真空值为0。水泵进水口与出水口都沿水平方向放 置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对比较小。考虑这些具体情 况，上式可以改写为：PH 仝-d(1-2)Y泵的轴功率为：( 1-3)SPd把水泵扬程的表达式代入上式，得：( 1-4)水泵是与一台交流感应电机相连，由电机带动运行的，电机的转速与水泵的 转速相同，电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机 的机械功率 - 为：m在变频调速时，-=mU 2R11s(
5、R 2R + R2I 1 s丿+(X + X)1a2a( 1-5)由于磁通e不变，从电机转矩补偿公式: mUE1 占 1 = 4.44Nk ef f m( 1-6)可以看出，要使主磁通叮，保持不变，则uyf必须保持不变。因此在变频调速过程中，电压应该与频率成正比例变化，设U1 二 kuf1( 1-7)带入式(1-5) 得:Ri + %j R /rmk2 2 s f21 u s 1 2 (+ 乂 -1-8)根据能量守恒定律，有：(1-9)其中，耳 为电机的效率。所以，水泵装置在变频调速的工作状态下运行时,有：Qpm k 2 2 f 2(1-10)4 u a 11 + R 2 + (X+ X121
6、o2o从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大， 从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供 水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速；当用户的用水量 减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大， 为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率。由于用户的用水量是始终 在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来 将，在每一个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在 一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使 2管网恒中压的压控力制
7、恒定的5理6。论分析2.1 恒压控制的理论模型对变频恒压供水的主要特点进行分析，可以得出如下结论：变频调速恒压供 水系统控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象。对它的 控制仍属于工业过程控制的范畴，它以供水出口管网水压为控制目标，在控制上 实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一 个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。所以，在某 个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的 供水压力上。图 1.2 变频恒压控制的原理图从恒压控制的原理图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低 于设定压力，控
8、制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变 频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将 这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频 率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过 程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水 压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转 速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设 定压力相等7。2.2 变频恒压供水的近似数学模型由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的
9、、 模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行到近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运 行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：1、水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个 纯滞后的过程。2、水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间 常数的惯性过程。系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等时 间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等 效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个纯滞后的一阶惯 性环节，即可以写成：1-11)为系统滞后
10、时间3。3.1 变频恒压供水控制系统控制方案的设计与选择从上一节变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变 送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任 务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水 压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运 行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下几种 方案可供选择：1、有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在 变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控
11、系统的功能。它虽 然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示比较麻 烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难， 调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活 性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量 场合4。2、通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性能价格 比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差， 同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以
12、 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的 小容量的变频恒压供水中7。3、通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器这种控制方式灵活方便，具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进 行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外 部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过 PC 机来改变存贮器中的控制 程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统 的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场
13、合，并且与供水机组的容量大小无关5。通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出“变频器主电路+PLC(包括 变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合于本系统。 这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定 性及控制精度的要求。3.2 变频恒压供水系统的构成由于本文的供水系统要适用生活水、工业用水以及消防等多种场合的供水， 我们以四台水泵(三台主泵和一台附属小泵)组成的供水系统为例，其原理框图如 图 3.3 所示。图 3.1 变频恒压供水系统原理框图交流接触器从上面的原理框图，可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、 控制系统、人机界面以
14、及报警装置等部分组成。1、执行机构执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，图中的 4 个水泵 分为三种类型：(1) 调速泵：是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用 水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。(2) 恒速泵：水泵运行只在工频状态，速度恒定，它们用以在用水量增大而 调速泵的最大供水能力不足时，对供水量进行定量的补充。当水泵采用循环的控 制方式时 M1， M2， M3 既可以做调速泵，也可以做恒速泵，如果水泵采用固定的 控制方式时 M1，M2，M3 中只有一台可以调速泵，其余两台为恒速泵。(3) 附属小泵：它只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很
15、小的情况 下(例如：夜间)对管网用水量进行少量的补充。在变频调速恒压供水系统中，这样构成水泵组有下几个原因：(1) 用几个小功率的水泵代替一台大功率的水泵，这种结构更适合于大功率 的供水系统。(2) 供水系统的增容和减容容易，无需更换水泵，使水泵选型容易，同时这 只要再增加恒速泵即可。(3) 以小功率的变频器代替大功率的变频调速器，以降低系统成本，增加系 统运行可靠性。(4) 附属小泵的加入，使系统在用水量很低时可以停止所有的主泵，用小泵 进行补水，降低系统的运行噪音。(5) 在用水量不太大时，系统中不是所有的水泵在运行，这样可以提高水泵 的运行寿命，同时降低系统的功耗，达到节能的目的。2、信号检测在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压、液位和报警信号：(1) 水压信号：它反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反 馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的 可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结果 可以送给PLC,作为数字量输入。(
