畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計

1、畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文題目基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計院部自動化工程學(xué)院專業(yè)自動化班級08級電氣工程及其自動化3班畢業(yè)論文（設(shè)計）的要求： 采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程序控制器（plc）構(gòu)成控制系統(tǒng)，基尼系那個優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水藥理的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。畢業(yè)論文（設(shè)計）的內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水方式和控制系統(tǒng)，由主控水回路、備用回路、一個清水池及泵房組成。1，掌握水利工程對控制，通信等的需求，提出自動化控制的綜合方案2.，提出自動化控制系統(tǒng)的硬件方案和方案論證的優(yōu)化3，完成軟件系統(tǒng)需求的

2、系統(tǒng)分析4，完成系統(tǒng)軟件的編程5，繪制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)原理圖，電氣控制原理圖，軟件流程圖6，按時完成畢業(yè)設(shè)計報告畢業(yè)論文（設(shè)計）工作計劃2011.11 看關(guān)于西門子的plc編程書籍;2011.12 看關(guān)于變頻器的原理和編程書籍;2012.1看關(guān)于旋轉(zhuǎn)編碼器的原理和編程書籍;2011.2 收集各種資料、 制定開題報告;2012.3 開始編寫論文;a 編寫所用到的各種元器件的原理和簡單介紹 b 完成主題設(shè)計思路 c 完成電路圖設(shè)計；2012.4 編寫plc程序完成plc與系統(tǒng)硬件連接與調(diào)試 2012.4.15 完成設(shè)計總結(jié)接受任務(wù)日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日學(xué) 生 (簽名) 年

3、 月 日指 導(dǎo) 教 師 (簽名) 年 月 日院長(主任) (簽名) 年 月 日摘 要隨著人民生活水平的日趨提高，新技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的應(yīng)用，使給供水設(shè)計得到了發(fā)展的機(jī)遇。于是選擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟(jì)合理的供水方式，對我們給供水設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)采用plc 進(jìn)行邏輯控制，采用帶pid 功能的變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，系統(tǒng)存在工作可靠，使用方便，壓力穩(wěn)定，無沖擊等優(yōu)越性。本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計了一套基于plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力變送器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相

4、水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力變送器檢測當(dāng)前水壓信號，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)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。并且通過plc實現(xiàn)報警控制。文中詳細(xì)介紹了所選plc 機(jī)、變頻器、傳感器的特點、各高級單元的使用及設(shè)定情況，給出了系統(tǒng)工作流程圖、程序設(shè)計流程圖及設(shè)計程序。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，plcabstractin company with the improvement of peoples living standard, the application of new

5、 technique and advanced equipment provide a new development for the design of water supply. it is a challenge for us to select a way of water supply with high standard, secure and healthy, economical, and reasonable. this system adopts plc logic control, and transducer with pid function to adjust th

6、e pressure, which presents many advantages, such as high reliability, convenience in use, stability in pressure，and without impact.this paper according to the requirements of the water supply of chinas urban district, designed a set of variable frequency speed regulation based on plc of constant pre

7、ssure water supply system. frequency conversion constant pressure water supply system by plc, frequency converter, pump unit, pressure transmitter, etc. this system includes three pump motor, they constitute frequency conversion cycle operation mode. the frequency converter to realize the three-phas

8、e pump motor soft start-up and frequency control, run by switching first rev. first stop principle. pressure transmitter detection current water pressure signal, into plc and setting after comparison pid operation, so as to control the output voltage and frequency converter, and change the water pum

9、p motor speed to change water supply, eventually, keep the pipe pressure stable value in nearby. and through the plc alarm control.the paper mainly introduces the characters of the plc, transducer, and sensor, the use of each high-quality unitary and design, and provides the flowchart of system work

10、, program and design.keywords: frequency control, constant pressure water supply, plc目 錄摘 要i1 緒 論11.1 課題簡介11.2 今天的變頻恒壓供水系統(tǒng)21.3 課題設(shè)計內(nèi)容概述32 系統(tǒng)的整體構(gòu)思及控制方案的選擇42.1供水系統(tǒng)的整體構(gòu)思方法42.1.1 電動機(jī)的調(diào)速原理42.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理42.2供水系統(tǒng)控制方案的選擇62.2.1 控制方案的比較和確定62.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖72.2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程92.2.4 水泵切換條件分析113 系統(tǒng)主電路

11、設(shè)計思路123.1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及原理圖123.2 系統(tǒng)主電路工作原理144 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及選型154.1 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)154.2 plc的選型164.3 plc的i/o端口分配及外圍接線164.4 變頻器的選型184.5 壓力變送器的選型194.6 液位變送器的選型204.7 元器件的選型205 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計225.1 主程序流程圖225.2系統(tǒng)程序自動控制過程表245.3系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計28總 結(jié)29致 謝30參考文獻(xiàn)31附錄321 緒 論1.1 課題簡介一般規(guī)定城市管網(wǎng)的水壓只保證6 層以下樓房的用水，其余上部各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔

12、、高位水箱，或氣壓罐式增壓設(shè)備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結(jié)果增大了水泵的軸功率和能量損耗。自從變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變

13、頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。而隨著我國社會經(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，同時也對小區(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)、缺點如下：(1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出

14、及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動化程度低，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，管網(wǎng)長期處于超壓運(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)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(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單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，

15、占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(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，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，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，自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(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；自動化程度不高等缺點，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

16、式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(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、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(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?；趐lc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)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)

17、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)實意義?；趐lc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)計該系統(tǒng)，對于提高企業(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)實意義。1.2 今天的變頻恒壓供水系統(tǒng)變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(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)用到交流傳動中的是德國人。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

18、紀(jì)80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的基于vvvf技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。在我國，60%的發(fā)電量是通過電動機(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，一直受到國家和業(yè)界人士的重視。現(xiàn)在，我國約有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，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達(dá)國家進(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)計制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口或合資企業(yè)的先進(jìn)變頻調(diào)速設(shè)備，然后自己開發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國內(nèi)重大工程項目提供了電

19、氣傳動控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會的需要?？傊m然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴(yán)重。1.3 課題設(shè)計內(nèi)容概述本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用plc和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個系統(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)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。變頻器通過變頻循環(huán)式的工作方式控制三個水泵電機(jī)，即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz

20、時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該水泵切換為工頻的同時用變頻器去拖動另一臺水泵電機(jī)。plc根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行pid運(yùn)算，輸送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)行可行性論證、方案論證與選擇、設(shè)計文字部分、電路圖，繪制系統(tǒng)硬件連接圖并，熟練使用相關(guān)軟件。2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1供水系統(tǒng)的整體構(gòu)思方法恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制要求是：采用電動機(jī)調(diào)速裝置與可編程控制器(plc)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控

21、制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入cpu運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機(jī)的投運(yùn)臺數(shù)和運(yùn)行變量泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。2.1.1 電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： (2.1) 式中：f表示電源頻率，p表示電動機(jī)極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機(jī)極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速

22、的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(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調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價值。下面重點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(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

23、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。2.1.2 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)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，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克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，

24、實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，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2.1中a點。在這一點，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。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、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(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現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步

25、電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(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。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。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

26、量的變化自動地調(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)用水量增大時電機(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，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： (2.2) (2.3) (2.4) (2.5)式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。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，若供水量高峰水泵工作在e點，流量為q1，揚(yáng)程為h0，當(dāng)供水量從q1減小到q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚(yáng)程

27、特性曲線不變。而揚(yáng)程則從h0上升到h1，運(yùn)行工況點從e點移到f點，此時水泵的輸出功率正比于h1q2。當(dāng)用調(diào)速控制時，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)榍€n2，工作點從e點移到d點。此時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，有正比于(h1h0)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供水系統(tǒng)控制方案的選擇2.2.1 控制方案的比較和確定恒壓變頻供水系統(tǒng)主

28、要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(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水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力變送器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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，通過設(shè)置指令代碼實現(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，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時

29、，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+壓力變送器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運(yùn)行時，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、pid調(diào)節(jié)器控

30、制)+壓力變送器這種控制方式靈活方便，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，可以方便地通過控制plc程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于plc的抗干擾能力強(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合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對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，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

31、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)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.3所示。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)、信號檢測機(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)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻器控制、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)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。(2)信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制

32、過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入plc時，需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給plc，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系 統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(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

33、控制器(plc系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(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)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組

34、時，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用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計中采用前者。作為一個控制系統(tǒng)，報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)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由plc判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失

35、。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)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。 圖2.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為420ma的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過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

36、偏差值進(jìn)行pid運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過d/a轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(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:1) 全自動運(yùn)行合上自動開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從0hz上升，同時pid調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到50hz，1#泵由變頻運(yùn)行切換為工頻，同時對2#泵進(jìn)行變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推；如用水量減小

37、(壓力過大)，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)。待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動運(yùn)行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵的軟啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。2) 手動運(yùn)行當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，四臺泵可分別以手動控制方式工頻運(yùn)行。3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。4) 采用“自動切換”和“先啟先?！痹瓌t“自動切換”是指當(dāng)一臺單獨運(yùn)行水泵或者有兩臺同時運(yùn)行的水泵，運(yùn)行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間時自動換泵

38、運(yùn)行?！跋葐⑾韧！笔侵改囊慌_先啟動的水泵在壓力過大時也先被切除，這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時間接近，防止有的泵運(yùn)行時間過長，而有的泵長時間不用而銹死，從而延長了設(shè)備的使用壽命。 5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng)plc的擴(kuò)展模塊pid運(yùn)算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運(yùn)行的水泵全速運(yùn)行，還未達(dá)到給定壓力時，變頻運(yùn)行的泵被切換到工頻運(yùn)行，變頻器將啟動另一臺泵(即采用軟啟動)。 6) 完善的各種保護(hù)、報警功能 對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。當(dāng)水泵的功率較大時，為防止直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方

39、法，即用變頻器來啟動水泵。運(yùn)行的水泵在斷開電源后，利用其運(yùn)行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流。 電動機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運(yùn)行時，電動機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時，電動機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機(jī)的電流可能超過額定電流，導(dǎo)致電動機(jī)過熱。因此電動機(jī)的熱保護(hù)是必須的。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，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，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，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒

40、壓的目的。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為負(fù)值，最低只能是0hz。其實，在實際應(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)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)一個反向的力矩，同時這個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)行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個頻率遠(yuǎn)大于0hz，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20hz左右。所以選擇

41、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，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn)時就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實際供水壓力超過設(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，此時又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個在工頻狀態(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投切的機(jī)組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使

42、得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。實際的機(jī)組切換判別條件如下：加泵條件： 且延時判別成立 (2.6)減泵條件： 且延時判別成立 (2.7)式中： ：上限頻率 ：下限頻率 ：設(shè)定壓力 ：反饋壓力3系統(tǒng)主電路設(shè)計思路3.1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及原理圖系統(tǒng)設(shè)計方案主要采用一臺變頻器控制多臺水泵”(即“一拖n”)的多泵控制系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，

43、現(xiàn)在也有采用“二拖三”、“二拖四”、“三拖五”的發(fā)展趨勢?！耙煌蟦”方案雖然節(jié)能效果略差，但獨有投資節(jié)省，運(yùn)行效率高的優(yōu)勢;具有變頻供水系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，對電網(wǎng)沖擊小，降低水泵平均轉(zhuǎn)速，消除“水錘效應(yīng)”，延長水泵閥門、管道壽命，節(jié)約能源等優(yōu)點，因此目前仍被普遍采用?；趐lc的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.1所示圖中，m1#， m2#， m3#， m4#為四臺水泵電機(jī)，km1，km2，km3，km4，km5，km6，km7，km8為控制四臺電機(jī)的接觸器，fr1，fr2，fr3， fr4為電機(jī)m1#，m2#，m3#，m4#過載保護(hù)用的熱繼電器，qf1、qf2、qf3、qf4、qf5、qf6為空氣開

44、關(guān)。qs1,qs2 ,qs3控制自動和手動切換刀開關(guān)，fu1,fu2,fu3為電路保護(hù)熔斷器。本系統(tǒng)采用四泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即4臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)四臺水泵都可輪流做變頻泵。圖3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的r、s、t端，變頻器的輸出端u、v、w通過接觸器的觸點接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器

45、輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器fr實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以km1和km3、km5、km7和km2、km4、km6、km8絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將420ma電流信號送至上位機(jī)來顯示。

46、同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開)，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動。3.2 系統(tǒng)主電路工作原理本程序設(shè)計了三臺主電機(jī)兩種循環(huán)切換的功能。一種是一臺電機(jī)單獨處于變頻運(yùn)行狀態(tài)時，當(dāng)計時時間(4小時)到時，關(guān)閉該電機(jī)和變頻器，并延時1s，延時到后啟動另一臺電機(jī)變頻運(yùn)行，此切換循環(huán)是：1#變頻2#變頻3#變頻1#變頻；第二種是有一臺電機(jī)工頻運(yùn)行和一臺變頻運(yùn)行的狀態(tài)下，計

47、時時間(4小時)到時，把工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行的電機(jī)切除，延時1s，把原變頻運(yùn)行的電機(jī)接于工頻運(yùn)行，變頻器起動另一臺沒運(yùn)行的電機(jī)，此切換循環(huán)是：1#工頻、2#變頻2#工頻、3#變頻3#工頻、1#變頻1#工頻、2#變頻。程序中的計時是用時間脈沖sm0.4(該位提供一個1分鐘的時間脈沖，30秒為1， 30秒為0，周期為1分鐘)和對脈沖進(jìn)行計數(shù)的變量寄存器單元yd260組成的。綜合整個運(yùn)行程序，可以看出實現(xiàn)三臺主電機(jī)的輪流切換和與輔助電機(jī)的切換，使整個系統(tǒng)工作協(xié)調(diào)，提高了工作效率，并延長了電機(jī)的使用壽命，充分合理的使用四臺設(shè)備，滿足工作要求。4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計及選型4.1系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)恒壓變頻供水設(shè)

48、備由變頻器、plc、壓力變送器、液位變送器和水泵等組成。通過變頻器和繼電器、接觸器控制水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài),實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓變流量供水要求。設(shè)備運(yùn)行時,壓力傳感器不斷將管網(wǎng)水壓信號變換成電信號送入plc,經(jīng)plc運(yùn)算處理后,獲得最佳控制參數(shù),通過變頻器和繼電控制元件自動調(diào)整水泵機(jī)組高效率地運(yùn)行。供水系統(tǒng)的監(jiān)控主要包括水泵的自動啟?？刂?、水位流量、壓力的測量與調(diào)節(jié)；使用水量、排水量的測量；即根據(jù)水箱和水池的高/低水位信號來控制水泵的啟/停及進(jìn)水控制閥的開關(guān)，并且進(jìn)行溢水和枯水的預(yù)警等。根據(jù)基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制要求，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖4.1所示。液位變送器及故障等量輸入a/d模塊 可

49、編程控制器（plc）報警、控制等量輸出壓力變送器器變頻器水泵機(jī)組 圖4.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) plc、(2) 變頻器、(3) 水泵機(jī)組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設(shè)備選型如表4.1所示。表4.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號可編程控制器（plc）西門子s7-200 cpu 226變頻器fr-a540系列5.5型水泵機(jī)組200qj(r)10-186/12壓力變送器cy-yz-1001液位變送器cyb31分體式液位變送器（西安新敏電子科技有限公司)4.2 plc的選型 機(jī)型選擇的基本原則是在滿足控

50、制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)使用方便及最佳的性能價格比。1) 結(jié)構(gòu)合理對于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，選用整體式結(jié)構(gòu)的plc。2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng)對于開關(guān)量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的plc，如西門子公司的s7-200系列機(jī)。plc容量的選擇plc容量主要是指是plc的i/o點數(shù)，i/o點數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。由于目前i/o點數(shù)較多的plc價格也較高，若備用的i/o點是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常i/o點數(shù)按實際需要的考慮留10%15%點數(shù)備用量。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，選用西門子

51、s7-200系列的cpu224型。其有以下特點： 1) 具有14個輸入點，10個輸出點。 2) simens s7-200可編程序控制器是模塊化中小型plc系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 3) 大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)。 4) 方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計。 5) 當(dāng)控制任務(wù)增加時，可以自由擴(kuò)展。 6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。 7) plc編程采用step7-micro/win，它是simatic plc的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試。4.3 plc的i/o端口分配及外圍接線本系統(tǒng)占用plc的3個輸入點，8個

52、輸出點，plc的外部接線圖如圖3-5所示，plc的具體i/o分配情況見表4.2：表4.2 plc i/0分配表輸入功能輸出功能i0.0變頻器高頻信號q0.0km1(1號電機(jī)接變頻器)i0.1變頻器低頻信號q0.1km2(1號電機(jī)接工頻電源)i0.2啟動信號q0.2km3(2號電機(jī)接變頻器)i0.3停止信號q0.3km4(2號電機(jī)接工頻電源)i0.41號電機(jī)啟動信號q0.4km5(3號電機(jī)接變頻器)i0.51號電機(jī)停止信號q0.5km6(3號電機(jī)接工頻電源)i0.62號電機(jī)啟動信號q0.6km7(4號電機(jī)接變頻器)i0.72號電機(jī)停止信號q0.7變頻器運(yùn)行、停止信號i1.03號電機(jī)啟動信號3l變

53、頻器端子9i1.13號電機(jī)停止信號4.4 變頻器的選型根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選用fr-a540系列變頻器，如圖4.3所示。圖4.3 fr-a540的管腳說明變頻器的接線如圖4.4所示。圖4.4 變頻器的接線圖變頻器的參數(shù)如表4.2所示。表4.2 變頻器的參數(shù)變頻器適用電機(jī)容量（kw)輸出額定容量(kva)輸出額定電流（a）過載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式fr-a540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反時限特性)3相，380v至480v 50hz/60hz強(qiáng)制風(fēng)冷4.5 壓力變送器的選型壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?5v或420ma的

54、模擬量信號，作為模擬輸入模塊(a/d模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用420ma輸出壓力變送器。所以本系統(tǒng)選用cy-yz-1001型壓力變送器（也叫壓力傳感器）。該壓力變送器采用硅壓阻效應(yīng)原理實現(xiàn)壓力測量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。該傳感器的量程為02.5mpa，能夠滿足要求的0.4mpa，工作溫度為560 ，供電電源為243v（dc）。4.6 液位變送器的選型本系統(tǒng)選用

55、cyb31分體式液位變送器。cyb31系列液位變送器由全密封隔離膜充油芯體和儀表專用電路組成，產(chǎn)品采用獨特的工藝密封結(jié)構(gòu)，防浸漏性能好，可長期在液體中可靠工作。產(chǎn)品具有精度高、穩(wěn)定性好、壽命長、安裝方便等優(yōu)點。廣泛用于水廠、煉油廠、化工廠、玻璃廠、污水處理廠、高樓供水系統(tǒng)、水庫、河道、海洋等對供水池、配水池、水處理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及對各種液體靜態(tài)、動態(tài)液位的測量與控制。該液位變送器的量程為01、2、5、10、30 200m,過載壓力200%fs，輸出信號為420ma、二線制，供電電壓標(biāo)定值為24vdc，介質(zhì)溫度為-20+85。4.7 元器件的選型熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機(jī)的過載保護(hù)熱繼電器fr，fr1 ，fr2可和fr3選用規(guī)格其型號為tk-e02t-c，額定電流58a。熔斷器的選擇：在控制回路中熔斷器fu選用rt1