畢業(yè)設(shè)計(jì)0【大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)】基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)-----自動(dòng)化等專業(yè).pdf

山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要摘要本論文根據(jù)中國(guó)城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) , 并利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)良好的運(yùn)行管理界面 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)等構(gòu)成。 本系 統(tǒng)包 含三 臺(tái)水泵 電機(jī) ，它 們組成 變頻 循環(huán) 運(yùn)行方 式。 采用 變頻器實(shí)現(xiàn) 對(duì)三 相水 泵電機(jī) 的軟 啟動(dòng) 和變頻 調(diào)速 ，運(yùn) 行切換 采用 “先啟 先停 ”的原則 。 壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào) ， 送入 PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID運(yùn)算， 從而控 制變頻器 的輸出 電壓和頻 率，進(jìn) 而改變水 泵電機(jī) 的轉(zhuǎn)速來(lái) 改變供水量 ， 最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近 。 通過(guò)工控機(jī)與 PLC的連接 ，采用 組態(tài)軟 件完成系 統(tǒng)監(jiān)控 ，實(shí)現(xiàn)了 運(yùn)行狀 態(tài)動(dòng)態(tài)顯 示及數(shù) 據(jù)、報(bào)警 的查詢。關(guān)鍵詞 ：變頻調(diào)速，恒壓供水， PLC，組態(tài)軟件山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ABSTRACTABSTRACTAccordingtothe requirem ent ofChinas urbanwater supply, this paperdesignsaset ofwater supplysystem offrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC, andhavedevelopedgoodoperationm anagem ent interfaceusingSupervisionControlandData Acquisition.Thesystem is m ade upofPLC,transducer,unitsofpum ps ,pressuresensorandcontrolm achineandsoon.This system is form ed bythree pum p generators,andthey form thecirculatingrunm odeoffrequencyconversion.Withgeneral frequencyconverterrealize forthree phase pum p generatorsoft start with frequencycontrol,operationswitch adopts the principle of”start first stopfirst”. Thedetectionsignal ofpressuresensorofhydraulicpresure,viaPLCwithset valuebycarryout PIDcomparisonoperation,so,controlfrequency andthe exportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotational speedthat changespum pgeneratorcome to changewater supply quantity,eventually,it is nearbytom aintain pipenet pressuretostabilizewhenset value. Throughworkcontrolm achine the connectionwithPLC,with groupform software consumm atelysystem atic m onitoring,haverealizedoperationstatedevelopment toshowanddata,report tothepoliceinquiry.K eywords:K K K variable frequency speed-regulating, constant-pressure watersupply, PLC, supervisioncontrolanddataacquisition.山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄目錄1緒論.11.1課題的提出 .11.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .31.3PLC概述 .51.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容 .72系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定.82.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 .82.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 .113系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).193.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 .193.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) .233.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) .253.4PLC的 I/O端口分配及外圍接線圖 .274系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).314.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 .314.2PLC程序設(shè)計(jì) .334.3PID控制器參數(shù)整定 .405監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).465.1組態(tài)軟件簡(jiǎn)介 .465.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .466結(jié)束語(yǔ).51山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄參考文獻(xiàn).53致謝.55附錄.56附錄 A英文文獻(xiàn) .56附錄 B中文翻譯 .65附錄 C主程序梯形圖 .71山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論11緒論 緒論 緒論 緒論1.1課題 的提 出 課題 的提 出 課題 的提 出 課題 的提 出水和 電是 人類 生活、 生產(chǎn) 中不 可缺少 的重 要物 質(zhì)，在 節(jié)水 節(jié)能 已成為時(shí)代 特征的 現(xiàn)實(shí)條件 下，我 們這個(gè)水 資源和 電能源短 缺的國(guó) 家，長(zhǎng)期 以來(lái)在市政供水 、 高層建筑供水 、 工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后 ，自動(dòng)化程度較低 ， 而隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ， 人們生活水平的不斷提高 ，以及 住房制 度改革的 不斷深 入，城市 中各類 小區(qū)建設(shè) 發(fā)展十 分迅速， 同時(shí)也對(duì) 小區(qū)的 基礎(chǔ)設(shè)施 建設(shè)提 出了更高 的要求 。小區(qū)供 水系統(tǒng) 的建設(shè)是 其中的一 個(gè)重要 方面，供 水的可 靠性、穩(wěn) 定性、 經(jīng)濟(jì)性直 接影響 到小區(qū)住 戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。 傳統(tǒng) 的小 區(qū)供 水方式 有： 恒速 泵加壓 供水 、氣 壓罐供 水、 水塔 高位水箱供 水、液 力耦合器 和電池 滑差離合 器調(diào)速 的供水方 式、單 片機(jī)變頻 調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點(diǎn)如下1：(1) 恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng) ， 水泵的增 減都依 賴人工進(jìn) 行手工 操作，自 動(dòng)化程 度低，而 且為保 證供水， 機(jī)組常處 于滿負(fù) 荷運(yùn)行， 不但效 率低、耗 電量大 ，而且在 用水量 較少時(shí)， 管網(wǎng)長(zhǎng)期 處于超 壓運(yùn)行狀 態(tài)，爆 損現(xiàn)象嚴(yán) 重，電 機(jī)硬起動(dòng) 易產(chǎn)生 水錘效應(yīng) ，破壞性大，目前較少采用。(2) 氣壓罐供水具有體積小 、 技術(shù)簡(jiǎn)單 、 不受高度限制等特點(diǎn) ， 但此方式調(diào) 節(jié)量小 、水泵電 機(jī)為硬 起動(dòng)且起 動(dòng)頻繁 ，對(duì)電器 設(shè)備要 求較高、 系統(tǒng)維護(hù) 工作量 大，而且 為減少 水泵起動(dòng) 次數(shù)， 停泵壓力 往往比 較高，致 使水泵在 低效段 工作，而 出水壓 力無(wú)謂的 增高， 也使浪費(fèi) 加大， 從而限制 了其發(fā)展。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡(jiǎn)單 、 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理 、 短時(shí)間維修山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論2或停 電可不 停水等優(yōu) 點(diǎn)，但 存在基建 投資大 ，占地面 積大， 維護(hù)不方 便，水泵 電機(jī)為 硬起動(dòng)， 啟動(dòng)電 流大等缺 點(diǎn)，頻 繁起動(dòng)易 損壞聯(lián) 軸器，目 前主要應(yīng)用于高層建筑。 (4) 液 力 耦 合器 和 電 池 滑 差 離合 器 調(diào) 速 的 供 水方 式 易 漏 油 ， 發(fā)熱 需 冷卻， 效率低 ，改造麻 煩，只 能是一對(duì) 一驅(qū)動(dòng) ，需經(jīng)常 檢修； 優(yōu)點(diǎn)是價(jià) 格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。(5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速 ， 自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面 4種供水方式 ， 但是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng) ， 對(duì)操作員的素質(zhì)要求比較高 ，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述 ， 傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力 、 電力資源 ；效率 低；可 靠性差； 自動(dòng)化 程度不高 等缺點(diǎn) ，嚴(yán)重影 響了居 民的用水 和工業(yè)系 統(tǒng)中的 用水。目 前的供 水方式朝 向高效 節(jié)能、自 動(dòng)可靠 的方向發(fā) 展，變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式 ， 在風(fēng)機(jī) 、 水泵 、空氣 壓縮機(jī) 、制冷壓 縮機(jī)等 高能耗設(shè) 備上廣 泛應(yīng)用， 特別是 在城鄉(xiāng)工 業(yè)用水的 各級(jí)加 壓系統(tǒng)， 居民生 活用水的 恒壓供 水系統(tǒng)中 ，變頻 調(diào)速水泵 節(jié)能效果 尤為突 出，其優(yōu) 越性表 現(xiàn)在：一 是節(jié)能 顯著；二 是在開(kāi) 、停機(jī)時(shí) 能減小電 流對(duì)電 網(wǎng)的沖擊 以及供 水水壓對(duì) 管網(wǎng)系 統(tǒng)的沖擊 ；三是 能減小水 泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗2?；?PLC和變 頻技 術(shù)的 恒壓供 水系 統(tǒng)集 變頻技 術(shù)、 電氣 技術(shù)、 現(xiàn)代 控制技術(shù)于一體 。 采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 ，同時(shí) 系統(tǒng)具 有良好的 節(jié)能性 ，這在能 源日益 緊缺的今 天尤為 重要，所 以研究設(shè) 計(jì)該系 統(tǒng)，對(duì)于 提高企 業(yè)效率以 及人民 的生活水 平、降 低能耗等 方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論31.2變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 國(guó)內(nèi) 外研 究現(xiàn)狀 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 國(guó)內(nèi) 外研 究現(xiàn)狀 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 國(guó)內(nèi) 外研 究現(xiàn)狀 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 國(guó)內(nèi) 外研 究現(xiàn)狀1.2.1變頻調(diào)速技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀變頻 器的 快速 發(fā)展得 益于 電力 電子技 術(shù)、 計(jì)算 機(jī)技術(shù) 和自 動(dòng)控 制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展 。 1964年 ， 最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國(guó)人 。 20世紀(jì) 80年代初 ， 日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法 。 從 20世紀(jì) 80年代后半期開(kāi)始 ， 美 、 日 、德、英等 發(fā)達(dá)國(guó)家的基于 VVVF技術(shù)的通 用變頻器已商品 化并廣泛應(yīng)用。在我國(guó) ， 60%的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的 ， 因此如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行 電機(jī)運(yùn) 行方式的 改造以 節(jié)約電能 ，一直 受到國(guó)家 和業(yè)界 人士的重 視。現(xiàn)在 ，我國(guó) 約有 200家左 右的公 司、工廠 和研究 所從事變 頻調(diào)速 技術(shù)的工作， 但自行 開(kāi)發(fā)生產(chǎn) 的變頻 調(diào)速產(chǎn)品 和國(guó)際 市場(chǎng)上的 同類產(chǎn) 品相比， 還有比較 大的技 術(shù)差距。 隨著改 革開(kāi)放和 經(jīng)濟(jì)的 高速發(fā)展 ，我國(guó) 采取要么 直接從發(fā) 達(dá)國(guó)家 進(jìn)口現(xiàn)成 的變頻 調(diào)速設(shè)備 ，要么 內(nèi)外結(jié)合 ，即在 自行設(shè)計(jì) 制造的成 套裝置 中采用外 國(guó)進(jìn)口 或合資企 業(yè)的先 進(jìn)變頻調(diào) 速設(shè)備 ，然后自 己開(kāi)發(fā)應(yīng) 用軟件 的辦法， 很好地 為國(guó)內(nèi)重 大工程 項(xiàng)目提供 了電氣 傳動(dòng)控制 系統(tǒng)的解 決辦法 ，適應(yīng)了 社會(huì)的 需要?？?之，雖 然國(guó)內(nèi)變 頻調(diào)速 技術(shù)取得 了較好的成績(jī) ， 但是總體上來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā) 、 生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱 ，對(duì)國(guó)外公司的依賴還很嚴(yán)重 。1.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究與現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的 。 在早期 ，由于 國(guó)外生 產(chǎn)的變頻 器的功 能主要限 定在頻 率控制、 升降速 控制、正 反轉(zhuǎn)控制 、起動(dòng) 控制以及 制動(dòng)控 制、壓頻 比控制 以及各種 保護(hù)功 能。應(yīng)用 在變頻恒 壓供水 系統(tǒng)中， 變頻器 僅作為執(zhí) 行機(jī)構(gòu) ，為了滿 足供水 量大小需 求不山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論4同時(shí) ， 保證管網(wǎng)壓力恒定 ， 需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器 ，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制 。 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性 、可靠 性以及 自動(dòng)化程 度高等 方面的優(yōu) 點(diǎn)以及 顯著的節(jié) 能效果 被大家發(fā) 現(xiàn)和認(rèn)可 后，國(guó) 外許多生 產(chǎn)變頻 器的廠家 開(kāi)始重 視并推出 具有恒 壓供水功 能的變頻器， 像日本 Sam co 公司，就 推出了恒壓供水 基板，備有 “ 變頻泵固 定方式 ” 、 “ 變頻泵循環(huán)方式 ” 兩種模式它將 PID調(diào)節(jié)器和 PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上 ， 通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC和 PID等電控系 統(tǒng)的功 能，只要 搭載配 套的恒壓 供水單 元，便可 直接控 制多個(gè)內(nèi) 置的電磁接觸器工作 ， 可構(gòu)成最多 7臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng) 。 這類設(shè)備雖微化了電路 結(jié)構(gòu)， 降低了設(shè) 備成本 ，但其輸 出接口 的擴(kuò)展功 能缺乏 靈活性， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高 ， 與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)通信 ，并且限 制了帶 負(fù)載的容 量，因 此在實(shí)際 使用時(shí) 其范圍將 會(huì)受到限制 3。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程 ， 大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速 ， 水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制 ，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) ； 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的 軟件予 以實(shí)現(xiàn)。 但在系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 性能、 穩(wěn)定性能 、抗擾 性能以及 開(kāi)放性等 多方面 的綜合技 術(shù)指標(biāo) 來(lái)說(shuō)，還 遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi) 能達(dá)到所 有用戶 的要求。 原深圳 華 為 電 氣 公 司 和 成 都 希 望 集 團(tuán) 也 推 出 了 恒 壓 供 水 專 用 變 頻 器(5.5kw22kw)，無(wú)需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多 4臺(tái)水泵的循環(huán)切換 、定時(shí) 起、停和 定時(shí)循 環(huán)。該變 頻器將 壓力閉環(huán) 調(diào)節(jié)與 循環(huán)邏輯 控制功能 集成在 變頻器內(nèi) 部實(shí)現(xiàn) ，但其輸 出接口 限制了帶 負(fù)載容 量，同時(shí) 操作不方 便且不 具有數(shù)據(jù) 通信功 能，因此 只適用 于小容量 ，控制 要求不高 的供水場(chǎng) 所?？?以看出， 目前在 國(guó)內(nèi)外變 頻調(diào)速 恒壓供水 控制系 統(tǒng)的研究 設(shè)計(jì)中， 對(duì)于能 適應(yīng)不同 的用水 場(chǎng)合，結(jié) 合現(xiàn)代 控制技術(shù) 、網(wǎng)絡(luò) 和通訊技 術(shù)同時(shí) 兼顧 系統(tǒng) 的電 磁 兼容 性 (EMC)的 變頻 恒壓 供水 系 統(tǒng)的 水壓 閉環(huán) 控 制研 究山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論5得不 夠。因 此，有待 于進(jìn)一 步研究改 善變頻 恒壓供水 系統(tǒng)的 性能，使 其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐4。1.3PLC概述 概述 概述 概述1.3.1可編程控制器的定義可編程 控制器，簡(jiǎn)稱 PLC(ProgrammablelogicController)，是指 以計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 為 基 礎(chǔ) 的 新 型 工 業(yè) 控 制 裝 置 。 在 1987年 國(guó) 際 電 工 委 員 會(huì)(InternationalElectricalCommittee)頒 布 的 PLC標(biāo) 準(zhǔn) 草 案中 對(duì) PLC做了如下定義 :“ PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電 子裝置 。它采用 可以編 制程序的 存儲(chǔ)器 ，用來(lái)在 其內(nèi)部 存儲(chǔ)執(zhí)行 邏輯運(yùn)算 、順序 運(yùn)算、計(jì) 時(shí)、計(jì) 數(shù)和算術(shù) 運(yùn)算等 操作的指 令，并 能通過(guò)數(shù) 字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程 。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè) 備都應(yīng) 該按易于 與工業(yè) 控制系統(tǒng) 形成一 個(gè)整體， 易于擴(kuò) 展其功能 的原則而設(shè)計(jì)。 ”1.3.2PLC的發(fā)展和應(yīng)用世界 上公 認(rèn)的 第一臺(tái) PLC是 1969年美 國(guó)數(shù) 字設(shè) 備公司 (DEC)研制 的。限于 當(dāng)時(shí)的 元器件條 件及計(jì) 算機(jī)發(fā)展 水平， 早期的 PLC主要 由分立 組件和中小 規(guī)模集 成電路組 成，可 以完成簡(jiǎn) 單的邏 輯控制及 定時(shí)、 計(jì)數(shù)功能 。 20世紀(jì) 70年代 初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC增加 了運(yùn)算 、數(shù)據(jù)傳 送及處 理等功能 ，完成 了真正具 有計(jì)算 機(jī)特征的 工業(yè)控制 裝置。 為了方便 熟悉繼 電器、接 觸器系 統(tǒng)的工程 技術(shù)人 員使用， 可編程控 制器采 用和繼電 器電路 圖類似的 梯形圖 作為主要 編程語(yǔ) 言 5 ，并 將參加運(yùn) 算及處 理的計(jì)算 機(jī)存儲(chǔ) 組件都以 繼電器 命名。此 時(shí)的 PLC為微 機(jī)技術(shù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論6和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。 20世紀(jì) 70年代中末期 ， 可編程控制器進(jìn) 入實(shí)用 化發(fā)展階 段，計(jì) 算機(jī)技術(shù) 已全面 引入可編 程控制 器中，使 其功能發(fā)生了飛躍 。 更高的運(yùn)算速度 、 超小型體積 、 更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì) 、模 擬量 運(yùn)算 、 PID功 能及 極高 的 性價(jià) 比奠 定了 它 在現(xiàn) 代工 業(yè)中 的 地位 。 20世紀(jì) 80年代初 ， 可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用 。 這個(gè)時(shí)期可 編程控 制器發(fā)展 的特點(diǎn) 是大規(guī)模 、高速 度、高性 能、產(chǎn) 品系列化 。這個(gè)階 段的另 一個(gè)特點(diǎn) 是世界 上生產(chǎn)可 編程控 制器的國(guó) 家日益 增多，產(chǎn) 量日益上升 。 這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段 。 20世紀(jì)末期 ， 可編程控制器 的發(fā)展 特點(diǎn)是更 加適應(yīng) 于現(xiàn)代工 業(yè)的需 要。從控 制規(guī)模 上來(lái)說(shuō)， 這個(gè)時(shí)期 發(fā)展了 大型機(jī)和 超小型 機(jī)；從控 制能力 上來(lái)說(shuō)， 誕生了 各種各樣 的特殊功 能單元 ，用于壓 力、溫 度、轉(zhuǎn)速 、位移 等各式各 樣的控 制場(chǎng)合； 從產(chǎn)品的 配套能 力來(lái)說(shuō)， 生產(chǎn)了 各種人機(jī) 界面單 元、通信 單元， 使應(yīng)用可 編程控制 器的工業(yè) 控制設(shè) 備的配套 更加容 易 。 目前 ， PLC在國(guó) 內(nèi)外已廣 泛應(yīng)用于鋼 鐵、石 油、化工 、電力 、建材、 機(jī)械制 造、輕紡 、交通 運(yùn)輸、及 文化娛樂(lè)等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。1.3.3西門子 S7-200PLC簡(jiǎn)介西門子公司具有品種非常豐富 的 PLC產(chǎn)品 。 S7系列是傳統(tǒng)意義 的 PLC，S7-200屬 于小型 PLC， 在 1998年 升級(jí)為 第二 代產(chǎn) 品， 2004年 升級(jí)為 第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 6：(1) 功能強(qiáng)大 。 S7-200有 5種 CPU模塊，最 多可擴(kuò)展 7個(gè)擴(kuò)展模 塊，擴(kuò)展到 248點(diǎn)數(shù)字量 I/O或 38路模擬量 I/O，最多有 30多 KB的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；(2) 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件；(3) 靈活方便的尋址方法；山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論7(4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面；(5) 有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格；(6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。1.4本課 題的 主要 研究?jī)?nèi) 容 本課 題的 主要 研究?jī)?nèi) 容 本課 題的 主要 研究?jī)?nèi) 容 本課 題的 主要 研究?jī)?nèi) 容本設(shè) 計(jì)是 以小 區(qū)供水 系統(tǒng) 為控 制對(duì)象 ，采 用 PLC和變 頻技 術(shù)相 結(jié)合技術(shù)， 設(shè)計(jì)一 套城市小 區(qū)恒壓 供水系統(tǒng) ，并引 用計(jì)算機(jī) 對(duì)供水 系統(tǒng)進(jìn)行 遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器 、 可編程控制器 、 壓力變送器和 現(xiàn)場(chǎng) 的水泵 機(jī)組一起 組成一 個(gè)完整的 閉環(huán)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)， 本設(shè)計(jì) 中有 3個(gè)貯水池 ， 3臺(tái)水泵 ， 采用部分流量調(diào)節(jié)方法 ， 即 3臺(tái)水泵中只有 1臺(tái)水泵在變頻器 控制下作 變速運(yùn) 行，其余 水泵做 恒速運(yùn)行 。 PLC根據(jù) 管網(wǎng)壓力 自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間切換 ， 并根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID運(yùn)算 ，輸出 給變頻 器控制其 輸出頻 率，調(diào)節(jié) 流量， 使供水管 網(wǎng)壓力 恒定。各 水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。 根據(jù)以上控制要求 ， 進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì) 。 硬件設(shè)備選型 、 PLC選型 ，估 算所 需 I/O點(diǎn)數(shù) ，進(jìn) 行 I/O模塊 選型 ，繪 制系統(tǒng) 硬件 連接 圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖 、 I/O連接圖 ， 分配 I/O點(diǎn)數(shù) ， 列出 I/O分配表 ， 熟練使用相 關(guān)軟件 ，設(shè)計(jì)梯 形圖控 制程序， 對(duì)程序 進(jìn)行調(diào)試 和修改 并設(shè)計(jì)監(jiān) 控系統(tǒng) 。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定82系統(tǒng)的理 論分析及控制方 案 系統(tǒng)的理 論分析及控制方 案 系統(tǒng)的理 論分析及控制方 案 系統(tǒng)的理 論分析及控制方 案 確定 確定 確定 確定2.1變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 理論 分析2.1.1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60(1 )fn sp= (2.1)式中： f表示電源頻率， p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)， s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：(l) 改變電源頻率(2)改變電機(jī)極對(duì)數(shù)(3)改變轉(zhuǎn)差率改變 電機(jī) 極對(duì) 數(shù)調(diào)速 的調(diào) 控方 式控制 簡(jiǎn)單 ，投 資省， 節(jié)能 效果 顯著，效率 高，但 需要專門 的變極 電機(jī)，是 有級(jí)調(diào) 速，而且 級(jí)差比 較大，即 變速時(shí)轉(zhuǎn) 速變化 較大，轉(zhuǎn) 矩也變 化大，因 此只適 用于特定 轉(zhuǎn)速的 生產(chǎn)機(jī)器 。改變轉(zhuǎn) 差率調(diào) 速為了保 證其較 大的調(diào)速 范圍一 般采用串 級(jí)調(diào)速 的方式， 其最大優(yōu) 點(diǎn)是它 可以回收 轉(zhuǎn)差功 率，節(jié)能 效果好 ，且調(diào)速 性能也 好，但由 于線路過(guò)于復(fù)雜 ， 增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 7， 且成本高而影響它的推廣價(jià)值 。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根據(jù) 公式 可知 ，當(dāng)轉(zhuǎn) 差率 變化 不大時(shí) ，異 步電 動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速 n基本 上與電源頻率 f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。但是 ，單一 地調(diào)節(jié)電 源頻率 ，將導(dǎo)致 電機(jī)運(yùn) 行性能惡 化。隨 著電力電 子技術(shù)的 發(fā)展， 已出現(xiàn)了 各種性 能良好、 工作可 靠的變頻 調(diào)速電 源裝置， 它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定92.1.2變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理供水 系統(tǒng) 的揚(yáng) 程特性 是以 供水 系統(tǒng)管 路中 的閥 門開(kāi)度 不變 為前 提，表明水泵在 某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H與流量 Q之間的關(guān) 系曲線，如圖 2.1所示。由于在 閥門開(kāi) 度和水泵 轉(zhuǎn)速都 不變的情 況下， 流量的大 小主要 取決于用 戶的用 水 情 況 ， 因 此 ， 揚(yáng) 程 特 性 所 反 映 的 是 揚(yáng) 程 H與 用 水 流 量 Qu間 的 關(guān) 系H=f(Qu)。 而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?， 表明閥門在某一開(kāi)度下?lián)P程 H與流量 Q之間的關(guān) 系曲線，如圖 2.1所示。管 阻特性反映了水 泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差 、 液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律 。由于 閥門開(kāi) 度的改變 ，實(shí)際 上是改變 了在某 一揚(yáng)程下 ，供水 系統(tǒng)向用 戶的供 水 能 力 。 因 此 ， 管 阻 特 性 所 反 映 的 是 揚(yáng) 程 與 供 水 流 量 Qc之 間 的 關(guān) 系H=f(Qc)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) ，如 圖 2.1中 A點(diǎn) 。在 這 一 點(diǎn)， 用 戶的 用 水 流量 Qu和 供水 系 統(tǒng) 的供 水 流 量Qc處于平衡狀態(tài) ， 供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性 ， 也符合了管阻特性 ， 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性圖 2.1恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的 供水 部分 主要由 水泵 、電 動(dòng)機(jī)、 管道 和閥 門等構(gòu)成 。 通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水 ， 并且把電機(jī)和水泵做成一體 ，通過(guò) 變頻器 調(diào)節(jié)異步 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速，從 而改變 水泵的出 水流量 而實(shí)現(xiàn)恒 壓供山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定10水的 。因此 ，供水系 統(tǒng)變頻 的實(shí)質(zhì)是 異步電 動(dòng)機(jī)的變 頻調(diào)速 。異步電 動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在供 水系 統(tǒng)中 ，通常 以流 量為 控制目 的， 常用 的控制 方法 為閥 門控制法和 轉(zhuǎn)速控 制法。閥 門控制 法是通過(guò) 調(diào)節(jié)閥 門開(kāi)度來(lái) 調(diào)節(jié)流 量，水泵 電機(jī)轉(zhuǎn)速 保持不 變。其實(shí) 質(zhì)是通 過(guò)改變水 路中的 阻力大小 來(lái)改變 流量，因 此，管阻 將隨閥 門開(kāi)度的 改變而 改變，但 揚(yáng)程特 性不變。 由于實(shí) 際用水中 ，需水量 是變化 的，若閥 門開(kāi)度 在一段時(shí) 間內(nèi)保 持不變， 必然要 造成超壓 或欠壓現(xiàn) 象的出 現(xiàn)。轉(zhuǎn)速 控制法 是通過(guò)改 變水泵 電機(jī)的轉(zhuǎn) 速來(lái)調(diào) 節(jié)流量， 而閥門開(kāi) 度保持 不變，是 通過(guò)改 變水的動(dòng) 能改變 流量。因 此，揚(yáng) 程特性將 隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變 ， 但管阻特性不變 。 變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制 。其工 作原理 是根據(jù)用 戶用水 量的變化 自動(dòng)地 調(diào)整水泵 電機(jī)的 轉(zhuǎn)速，使 管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。由流 體力學(xué)可 知，水 泵給管網(wǎng) 供水時(shí) ，水泵的 輸出功 率 P與管 網(wǎng)的水壓 H及出水流量 Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 n與出水流量 Q成正比 ； 管網(wǎng)的水壓 H與出水流量 Q的平方成正比 。 由上述關(guān)系有 ， 水泵的輸出功 率P與轉(zhuǎn)速 n三次方成正比，即：1P kHQ= （ 2.2）2n kQ= （ 2.3）23H kQ= (2.4)3P kn= (2.5)式中 k、 k1、 k2、 k3為比例常數(shù)。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定11HH2H1H00 Q2 Q1 Qn1n2EFDb1 b2b3圖 2.2管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線當(dāng)用閥門控制時(shí) ， 若供水量高峰水泵工作在 E點(diǎn) ， 流量為 Q1， 揚(yáng)程 為H0，當(dāng) 供水 量從 Q1減小 到 Q2時(shí)， 必須 關(guān)小 閥門， 這時(shí) 閥門 的摩擦 阻力 變大 ， 阻力曲線從 b3移到 b1， 揚(yáng)程特性曲線不變 。 而揚(yáng)程則從 H0上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E點(diǎn)移到 F點(diǎn) ， 此時(shí)水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。 當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚(yáng)程特性 變?yōu)?曲 線 n2， 工作 點(diǎn) 從 E點(diǎn) 移到 D點(diǎn) 。此 時(shí) 水 泵輸 出 功率 正 比 于 H0Q2， 由于 H1H0， 所以 當(dāng)用 閥門 控 制流 量時(shí) ，有 正 比于 (H1 H0) Q2的 功率被 浪費(fèi)掉 ，并且隨 著閥門 的不斷關(guān) 小，閥 門的摩擦 阻力不 斷變大， 管阻特性曲線上移 ， 運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移 ， 于是 H1增大 ， 而被浪費(fèi)的功率要隨之 增加。 所以調(diào)速 控制方 式要比閥 門控制 方式供水 功率要 小得多， 節(jié)能效果顯著。2.2變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)控 制方 案的 確定2.2.1控制方案的比較和確定恒壓 變頻 供水 系統(tǒng)主 要有 壓力 變送器 、變 頻器 、恒壓 控制 單元 、水泵山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定12機(jī)組 以及低 壓電器組 成。系 統(tǒng)主要的 任務(wù)是 利用恒壓 控制單 元使變頻 器控制一 臺(tái)水泵 或循環(huán)控 制多臺(tái) 水泵，實(shí) 現(xiàn)管網(wǎng) 水壓的恒 定和水 泵電機(jī)的 軟起動(dòng)以 及變頻 水泵與工 頻水泵 的切換， 同時(shí)還 要能對(duì)運(yùn) 行數(shù)據(jù) 進(jìn)行傳輸 和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇8：(1) 有供水基板的變頻器 +水泵機(jī)組 +壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 它將 PID調(diào)節(jié)器和 PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上 ， 通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功 能。它 雖然微化 了電路 結(jié)構(gòu)，降 低了設(shè) 備成本， 但在壓 力設(shè)定和 壓力反饋 值的顯 示方面比 較麻煩 ，無(wú)法自 動(dòng)實(shí)現(xiàn) 不同時(shí)段 的不同 恒壓要求 ，在調(diào)試時(shí) ， PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難 ， 調(diào)節(jié)范圍小 ， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài) 、 動(dòng)態(tài)性能不易保證 。其輸 出接口的 擴(kuò)展功 能缺乏靈 活性， 數(shù)據(jù)通信 困難， 并且限制 了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場(chǎng)合。 (2) 通用變頻器 +單片機(jī) (包括變頻控制 、 調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種 方式 控制 精度高 、控 制算 法靈活 、參 數(shù)調(diào) 整方便 ，具 有較 高的性價(jià)比 ，但開(kāi) 發(fā)周期長(zhǎng) ，程序 一旦固化 ，修改 較為麻煩 ，因此 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 的靈活性 差，同 時(shí)變頻器 在運(yùn)行 時(shí)，將產(chǎn) 生干擾 ，變頻器 的功率 越大，產(chǎn) 生的干擾 越大， 所以必須 采取相 應(yīng)的抗干 擾措施 來(lái)保證系 統(tǒng)的可 靠性。該 系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。(3)通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器這種 控制 方式 靈活方 便。 具有 良好的 通信 接口 ，可以 方便 地與 其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于 PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC的硬件配置和 I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò) PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC的抗干山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定13擾能 力強(qiáng)、 可靠性高 ，因此 系統(tǒng)的可 靠性大 大提高。 該系統(tǒng) 能適用于 各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。通過(guò) 對(duì)以 上這 幾種方 案的 比較 和分析 ，可 以看 出第三 種控 制方 案更適合于本系統(tǒng) 。 這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便 、 便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn) ，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。2.2.2變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的 組成及原理圖PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器 、 可編程控制器 、 壓力變送器和 現(xiàn)場(chǎng) 的水泵 機(jī)組一起 組成一 個(gè)完整的 閉環(huán)調(diào) 節(jié)系統(tǒng)， 該系 統(tǒng)的控 制流程圖如圖 2.3所示：用 戶M 壓 力 變 送 器變 頻 器PLC(含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào)圖 2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖 中可 看出 ，系統(tǒng) 可分 為： 執(zhí)行機(jī) 構(gòu)、 信號(hào) 檢測(cè)機(jī) 構(gòu)、 控制 機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成 ， 它們用于將水供入用戶管網(wǎng)， 其中由 一臺(tái)變頻 泵和兩 臺(tái)工頻泵 構(gòu)成， 變頻泵是 由變頻 調(diào)速器控 制、可以 進(jìn)行變 頻調(diào)整的 水泵， 用以根據(jù) 用水量 的變化改 變電機(jī) 的轉(zhuǎn)速， 以維山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定14持管 網(wǎng)的水 壓恒定； 工頻泵 只運(yùn)行于 啟、停 兩種工作 狀態(tài)， 用以在用 水量很大 （變頻 泵達(dá)到工 頻運(yùn)行 狀態(tài)都無(wú) 法滿足 用水要求 時(shí)）的 情況下投 入工作。 (2)信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過(guò)程中 ， 需要檢測(cè)的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào) 、水池 水位信號(hào) 和報(bào)警 信號(hào)。管 網(wǎng)水壓 信號(hào)反映 的是用 戶管網(wǎng)的 水壓值 ， 它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào) 。 此信號(hào)是模擬信號(hào) ， 讀入 PLC時(shí) ，需進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。另 外為加強(qiáng)系統(tǒng)的 可靠性，還需對(duì) 供水的上限壓力 和下限壓 力用電接 點(diǎn)壓力 表進(jìn)行檢 測(cè)，檢 測(cè)結(jié)果可 以送給 PLC，作 為數(shù)字量 輸入； 水池水 位信號(hào)反 映水泵 的進(jìn)水水 源是否 充足。信 號(hào)有效 時(shí)，控制 系統(tǒng)要對(duì) 系統(tǒng)實(shí) 施保護(hù)控 制，以 防止水泵 空抽而 損壞電機(jī) 和水泵 。此信號(hào) 來(lái)自安裝 于水池 中的液位 傳感器 ；報(bào)警信 號(hào)反映 系統(tǒng)是否 正常運(yùn) 行，水泵 電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。(3)控制機(jī)構(gòu) ： 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中 ， 包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) )、 變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分 。 供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控 制系統(tǒng) 的核心。 供水控 制器直接 對(duì)系統(tǒng) 中的壓力 、液位 、報(bào)警信 號(hào)進(jìn)行采集 ， 對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析 、 實(shí)施控制算法 ，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 根據(jù) 水泵 機(jī)組 中水泵 被變 頻器 拖動(dòng)的 情況 不同 ，變頻 器有 兩種 工作方式即 變頻循 環(huán)式和變 頻固定 式，變頻 循環(huán)式 即變頻器 拖動(dòng)某 一臺(tái)水泵 作為調(diào)速泵 ， 當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz時(shí) ， 其供水量仍不能達(dá)到用水要求 ， 需要增加 水泵機(jī) 組時(shí)，系 統(tǒng)先將 變頻器從 該水泵 電機(jī)中脫 出，將 該泵切換 為工頻的 同時(shí)用 變頻去拖 動(dòng)另一 臺(tái)水泵電 機(jī)；變 頻固定式 是變頻 器拖動(dòng)某 一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵 ， 當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz時(shí) ， 其供水量仍不能達(dá)到用水要山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定15求， 需要增 加水泵機(jī) 組時(shí)， 系統(tǒng)直接 啟動(dòng)另 一臺(tái)恒速 水泵， 變頻器不 做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇9，本設(shè)計(jì)中采用前者 。作為 一個(gè) 控制 系統(tǒng)， 報(bào)警 是必 不可少 的重 要組 成部分 。由 于本 系統(tǒng)能適用 于不同 的供水領(lǐng) 域，所 以為了保 證系統(tǒng) 安全、可 靠、平 穩(wěn)的運(yùn)行 ，防止因 電機(jī)過(guò) 載、變頻 器報(bào)警 、電網(wǎng)過(guò) 大波動(dòng) 、供水水 源中斷 造成故障 ，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由 PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)以 供水 出口 管網(wǎng)水 壓為 控制 目標(biāo)， 在控 制上 實(shí)現(xiàn)出口總 管網(wǎng)的 實(shí)際供水 壓力跟 隨設(shè)定的 供水壓 力。設(shè)定 的供水 壓力可以 是一個(gè)常數(shù) ， 也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù) ， 在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù) 。 所以 ，在某 個(gè)特定 時(shí)段內(nèi)， 恒壓控 制的目標(biāo) 就是使 出口總管 網(wǎng)的實(shí) 際供水壓 力維持在設(shè)定的供水 壓力上 10。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.4所示：P I D D/A 變 頻 器 接 觸 器 水 泵機(jī) 組 管 道壓 力 變 送 器A/D給 定管 網(wǎng) 壓 力P L C圖 2.4變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓 供水 系統(tǒng) 通過(guò)安 裝在 用戶 供水管 道上 的壓 力變送 器實(shí) 時(shí)地 測(cè)量參考點(diǎn)的水壓 ， 檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力 ， 并將其轉(zhuǎn)換為 420mA 的電信號(hào) ， 此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù) 。 由于電信號(hào)為模擬量 ， 故必須通過(guò) PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ， 將比較后的偏差值進(jìn) 行 PID運(yùn)算，再 將運(yùn)算后的數(shù)字 信號(hào)通過(guò) D/A轉(zhuǎn)換模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào) 作為變頻山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定16器的 輸入信 號(hào)，控制 變頻器 的輸出頻 率，從 而控制電 動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速，進(jìn) 而控制水 泵的供 水流量， 最終使 用戶供水 管道上 的壓力恒 定，實(shí) 現(xiàn)變頻恒 壓供水。2.2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 :(l)系統(tǒng) 通電 ，按 照接收 到有 效的 自控系 統(tǒng)啟 動(dòng)信 號(hào)后， 首先 啟動(dòng) 變頻器拖動(dòng)變頻泵 M1工作 ， 根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率 ， 控制 Ml的轉(zhuǎn)速 ， 當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值 ， 其供水量與用水量相平衡時(shí) ， 轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值 ， 這期間 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2)當(dāng)用 水量 增加 水壓減 小時(shí) ，壓 力變送 器反 饋的 水壓信 號(hào)減 小， 偏差變大 ， PLC的輸出信號(hào)變大 ， 變頻器的輸出頻率變大 ， 所以水泵的轉(zhuǎn)速增大， 供水量 增大，最 終水泵 的轉(zhuǎn)速達(dá) 到另一 個(gè)新的穩(wěn) 定值。 反之，當(dāng) 用水量減少水壓增加時(shí) ， 通過(guò)壓力閉環(huán) ， 減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值 。(3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz時(shí) ， 若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力 ， 并且滿足增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時(shí) ， 在變頻循環(huán)式的控制方式下 ， 系統(tǒng)將在 PLC的控制下自動(dòng)投入水泵 M2(變速運(yùn)行 )， 同時(shí)變頻泵 M1做工頻運(yùn)行 ， 系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉 環(huán)調(diào)節(jié) ，直到水 壓達(dá)到 設(shè)定值為 止。如 果用水量 繼續(xù)增 加，滿足 增加水泵的條件 ， 將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換 ， 將另一臺(tái)工頻泵 M3投入運(yùn)行 ， 變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz時(shí) ， 壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí) ， 控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。(4)當(dāng)用 水量 下降 水壓升 高， 變頻 器的輸 出頻 率降 至下限 頻率 ，用 戶管網(wǎng) 的實(shí)際 水壓仍高 于設(shè)定 壓力值， 并且滿 足減少水 泵的條 件時(shí)，系 統(tǒng)將山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定17工頻泵 M2關(guān)掉 ， 恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) ， 使壓力重新達(dá)到設(shè)定值 。 當(dāng)用水量繼 續(xù)下降 ，并且滿 足減少 水泵的條 件時(shí)， 將繼續(xù)發(fā) 生如上 轉(zhuǎn)換，將 另一臺(tái)工頻泵 M3關(guān)掉。2.2.4水泵切換條件分析在上 述的 系統(tǒng) 工作流 程中 ，我 們提到 當(dāng)變 頻泵 己運(yùn)行 在上 限頻 率，此時(shí)管 網(wǎng)的實(shí) 際壓力仍 低于設(shè) 定壓力， 此時(shí)需 要增加水 泵來(lái)滿 足供水要 求，達(dá)到恒壓的目的 ； 當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率 ，此時(shí) 管網(wǎng)的 實(shí)際壓力 仍高于 設(shè)定壓力 ，此時(shí) 需要減少 工頻泵 來(lái)減少供 水流量， 達(dá)到恒 壓的目的 。那么 何時(shí)進(jìn)行 切換， 才能使系 統(tǒng)提供 穩(wěn)定可靠 的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢 ?由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制 ， 50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率 。 另外 ， 變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值 ， 最低只能是 0HZ。其實(shí) ，在實(shí)際 應(yīng)用中 ，變頻器 的輸出 頻率是不 可能降 到 0HZ。因 為當(dāng)水泵機(jī)組 運(yùn)行， 電機(jī)帶動(dòng) 水泵向 管網(wǎng)供水 時(shí)，由 于管網(wǎng)中 的水壓 會(huì)反推水 泵，給帶 動(dòng)水泵 運(yùn)行的電 機(jī)一個(gè) 反向的力 矩，同 時(shí)這個(gè)水 壓也在 一定程度 上阻止源 水池中 的水進(jìn)入 管網(wǎng)， 因此，當(dāng) 電機(jī)運(yùn) 行頻率下 降到一 個(gè)值時(shí)， 水泵就己 經(jīng)抽不 出水了， 實(shí)際的 供水壓力 也不會(huì) 隨著電機(jī) 頻率的 下降而下 降。這個(gè) 頻率在實(shí) 際應(yīng)用 中就是電 機(jī)運(yùn)行 的下限頻 率。這 個(gè)頻率遠(yuǎn) 大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān) ， 一般在 20HZ左右 。 所以選擇 50HZ和 20HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。當(dāng)輸 出頻 率達(dá) 到上限 頻率 時(shí)， 實(shí)際供 水壓 力在 設(shè)定壓 力上 下波 動(dòng)。若出現(xiàn)s fP P 時(shí)就 進(jìn)行機(jī)組 切換， 很可能由 于新增 加了一臺(tái) 機(jī)組運(yùn) 行，供水壓力 一下就 超過(guò)了設(shè) 定壓力 。在極端 的情況 下，運(yùn)行 機(jī)組增 加后，實(shí) 際供水壓 力超過(guò) 設(shè)定供水 壓力， 而新增加 的機(jī)組 在變頻器 的下限 頻率運(yùn)行 ，此山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定18時(shí)又 滿足了 機(jī)組切換 的停機(jī) 條件，需 要將一 個(gè)在工頻 狀態(tài)下 運(yùn)行的機(jī) 組停掉。 如果用 水狀況不 變，供 水泵站中 的所有 能夠自動(dòng) 投切的 機(jī)組將一 直