畢業(yè)設計（論文）基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)

1、上海電機學院畢業(yè)設計（論文）課題名稱 基于plc的恒壓供水控制系統(tǒng) 學 院 電氣學院 專 業(yè) 測控技術與儀器 班 級 學 號 姓 名 指導教師 定稿日期： 2012 年 4月5日2目 錄第1章 緒 論1 1.1 文獻綜述1 1.2 選題背景及其意義21.3 國內(nèi)外在該方向的研究概況41.4 本文的主要研究內(nèi)容5第2章 系統(tǒng)總體分析和設計62.1 系統(tǒng)概述62.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理62.3 恒壓供水系統(tǒng)硬件設計8第3章 器件的選型及介紹123.1 可編程控制器plc123.1.1 簡介plc的產(chǎn)生123.1.2 簡介plc的發(fā)展狀況及其發(fā)展趨勢123.1.4 簡介plc的應用領域133.1

2、.5 plc的工作過程133.1.6 plc的選型143.2 變頻器143.2.1 變頻器的構(gòu)成143.2.2 變頻器的特點183.2.3 變頻器的接線193.3 pid調(diào)節(jié)器203.4 壓力傳感器的接線圖223.5 原件表23第4章 plc控制及編程254.1 plc控制25摘要本論文針對上海某住宅小區(qū)的供水要求，設計了一套由plc、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組、等主要設備構(gòu)成的全自動變頻恒壓供水，具有全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行、和現(xiàn)場手動控制等功能。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有多種輔助功能，增強了系統(tǒng)的可靠性。論文分析了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的

3、閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機理。通過對變頻器內(nèi)置pid模塊參數(shù)的預置，利用遠傳壓力表的水壓反饋量，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取pid調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。關鍵詞：恒壓供水，plc，變頻調(diào)速第頁 abstract according to the requirement of water supply in a abiding place of shanghai, a set of automatic system of constant pressure water supply by using variable

4、 frequency andremote monitoring and controlling, which is composed of plc,transducer, pressuresensor, pumps and electro-motors, computer and device of communication is designed tothat end. this set of system has the functions like automatic constant pressure operationby using variable frequency, aut

5、omatic work frequency operation, and the function oflong-range control by hand and the on-the-spot control by hand etc. the system hassolved efficiently the problem existing in the traditional way of water supply, which hasvarious supplementary functions to strengthen the reliability. based on that

6、the three side of the pump water delivery rate and the pump rotationalspeed become direct ratio, the paper analyses the mechanism of energy saving that theway of water supply by using the method of variable velocity variable frequency issuperior to the traditional way of constant pressure water supp

7、ly controlled by valve.setting up in advance the parameter of the ph) modular built-in the transducer,a systemof closed circuit using the feedback of hydraulic pressure of far biography pressure tablehas formed. according to the change of water consumption, with pid, in the sphere ofwhole rate of fl

8、ow, combining the constant regulation of the pump of frequency conversion with the work frequency pump grade regulation, the system of closed circuit can realize the constant pressure water supply and save energy efficiently. key words: constant pressurewater-supply, plc, variable velocity variable

9、frequency第頁第1章 緒 論1.1 文獻綜述隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷提高，城市中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活和工作，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等供水方式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點，難以滿足當前經(jīng)濟生活的需要1。本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個時間段，平時處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型。這

10、類型用水需求在較長時間段表現(xiàn)為低流量，相對于設計流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來實現(xiàn)低流量時的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設備相比平均節(jié)能可達30%。水泵變頻軟起動沖擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，平穩(wěn)、噪聲小2。由于用水呈低流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設定值。多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少;其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響

11、系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便;其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量;其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調(diào)試方便、維護工作量小的plc通過編程來實現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、pid調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)恒壓。為了減少對泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動蝶閥，開啟水泵后打開電動碟閥，當水泵停止時先關電動碟閥后停機。綜上所述，系統(tǒng)

12、可分為執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：l)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由變頻泵和附屬小泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定附屬小泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如：夜間)對管網(wǎng)用水量進行少量的補充。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個原因用幾個小功率的水泵代替一臺大功率的水泵，使水泵選型容易，同時這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低

13、系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運行可靠性附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(如：夜間)可以停止所有的主泵，用小泵進行補水，降低系統(tǒng)的運行噪音在用水量不太大時，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運行，這樣可以提高水泵的運行壽命，同時降低系統(tǒng)的功耗，達到節(jié)能的目的。2)信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號。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，需進行a/d轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(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行檢測，檢測結(jié)果可以送給plc，作為數(shù)字量輸入液位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效

14、時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。3)控制機構(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、報警信號進行采集，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵)進行控制變頻器是對水泵進行轉(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)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制3。1.2 選題背景及其意義眾所周知，水是人類生活

15、、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低，而隨著我國社會經(jīng)濟的發(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)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(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4。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有:恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變

16、頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點如下5：1、恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應用于高層建筑。3、氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水

17、泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大，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，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。4、液力禍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水力、電力資源，效率低；可靠性差；自

18、動化程度不高等缺點，嚴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、自動可靠的方向發(fā)展，變頻調(diào)速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，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、電機自身的機械沖擊損耗6。plc變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進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

19、在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(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。 1.3 國內(nèi)外在該方向的研究概況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(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、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，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，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動

20、多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應商之一)后，隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的abb集團推出了hvac變頻技術，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”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，通過設置指令代碼實現(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

21、，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(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)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(plc)及相應的軟件予以實現(xiàn);有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠

22、遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器(2.2kw-30kw)，無需外接plc和pid調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換定時起動、停止和定時循環(huán)(月麥丹佛斯公司的vlt系列變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機組的切換)。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)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時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所。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容

23、性(emc)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來水管)進口壓力保持恒定為條件。實際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài).變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式(如調(diào)壓調(diào)

24、速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等)，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調(diào)速技術.它采用微機控制技術;電力電子技術和電機傳動技術實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。以變頻器為核心結(jié)合plc組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。1.4 本文的主要研究內(nèi)容系統(tǒng)的功能包括：（1）：利用plc控制，結(jié)合pid調(diào)節(jié)功能，通過變頻調(diào)速實現(xiàn)自動恒壓供水。（2）：現(xiàn)場手動控制功能：是指通過現(xiàn)場按鈕來人工控制電機工頻、變頻運行，這一方式完全通過電氣控制線路設計來實現(xiàn)，plc不參與，主要用用于檢修、調(diào)試及p

25、lc故障時的運行。（3）：水泵故障鎖定功能。（4）：報警功能。第27頁第2章 系統(tǒng)總體分析和設計本章從系統(tǒng)概述、變頻恒壓供水的節(jié)能原理和系統(tǒng)的硬件設計三個方面對該系統(tǒng)進行了總體分析說明。2.1 系統(tǒng)概述如圖2.1所示，為該系統(tǒng)的供水流程。圖2.1 供水流程簡圖隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲水品質(zhì)要求的提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)一起環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(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。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，

26、對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設中成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。2.2 恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理在變頻恒壓供水系統(tǒng)中, 關鍵是對水泵的控制.泵的轉(zhuǎn)速 n 與流量q、 揚程 h 及泵的軸功率n 的關系如下式所示： (1) 泵用電

27、動機驅(qū)動時,電動機功率 p 可用下式表示: (2)式中: 泵的流量 q 和揚程h 的關系曲線見圖2.2 . 曲線、 分別對應轉(zhuǎn)速n1 、 n2( n1 n2) 時的 h - q 特性曲線, 曲線、 為管阻特性曲線. 當調(diào)節(jié)流量時, 通常采用調(diào)節(jié)閥門和變頻調(diào)速兩種方式.圖2.2 泵的流量 q 和揚程h 的關系曲線 假設泵的額定工作點為 n 點, 額定流量 qn 為100 % ,此時軸功率 p1 與圖中 qnnhn0 區(qū)域面積成正比.(1) 調(diào)節(jié)閥門法當流量從 qn 減小到qa 時,采用調(diào)節(jié)閥門法, 管阻特性曲線從 切換至 , 揚程 h 增大, 工作點由 n 切換至 a. 此時軸功率 p2 與圖中

28、 qahaa 0 區(qū)域面積成正比.(2) 變頻調(diào)速法由式( 1) 可知,泵的流量 q 與轉(zhuǎn)速n 成正比, 要將流量從 qn 減小到qa 時,可將泵轉(zhuǎn)速從 n1 降至n2 , 工作點從 n 切換至b, 揚程h 減小. 在同樣流量qa 下, 軸功率 p3 與圖中 qahbb 0 區(qū)域面積成正比. 由圖可知,p3 p2 ,在同樣流量qa 下, 采用調(diào)速法節(jié)省的軸功率與圖中陰影部分( bahahb) 區(qū)域面積成正比, 節(jié)能效果非常明顯.對于電機的轉(zhuǎn)速,可用下式表示:式中: n 電機轉(zhuǎn)速,r/ m in ;f 電源頻率,h z ;p 電機極對數(shù);s 轉(zhuǎn)差率.因此,當調(diào)節(jié)泵的流量時, 通過改變頻率調(diào)節(jié)電機

29、速度,即采用變頻調(diào)速法, 比采用調(diào)節(jié)閥門法節(jié)能.2.3 恒壓供水系統(tǒng)硬件設計2.3.1 供水系統(tǒng)的構(gòu)成 圖2.3 供水系統(tǒng)方案圖如下圖2.4所示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺plc和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺水泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器（反饋05v電壓信號）或壓力變送器（反饋420ma電流）；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)

30、、以及報警裝置等部分組成。 圖2.4 系統(tǒng)原理圖（1） 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的3個水泵分為2種類型：調(diào)速泵：是由變頻調(diào)速控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。恒速泵：水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。（2） 信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號：水壓信號：它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。報警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關

31、量信號。（3） 控制系統(tǒng)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)）、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器：它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)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)（即水泵）進行控制。變頻器：它是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關等電器元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換。（4）

32、人機界面人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定值，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)視，對報警進行顯示。（5） 通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通信接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡技術用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等（6） 報警裝置作為一個控制系統(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域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止

33、因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由plc判斷報警類別，進行保護動作控制，以免造成不必要的損失2.3.2 供水系統(tǒng)的主電路接線及其工作原理 圖2.5 系統(tǒng)主接線圖由圖2.5可知，電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。km1、 km3、 km5 分別為電動機m1 、m2 、m3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，km0、 km2 、km4 分別為電動機m1、m2、 m3 變頻運行時接通電源的控制接觸器。熱繼電器(fr)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。熔斷器（

34、fu）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴重過載。第3章 器件的選型及介紹本論文設計主要用到plc（即可編程邏輯控制器），變頻器，pid調(diào)節(jié)器，壓力傳感器及其他輔助元器件，本章主要介紹這些器件的選型及相關介紹。3.1 可編程控制器plc可編程控制器是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器(programmable logic controller)，簡稱plc。3.1.1 簡介plc的產(chǎn)生20世紀60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，為了適應白熱化的市場競爭要求，1968年美國通

35、用汽車公司（gm）公開招標，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：（1）編程方便，可現(xiàn)場修改程序；（2）維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；（3）可靠性高于繼電器控制裝置；（4）體積小于繼電器控制盤；（5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機；（6）成本可與繼電器控制盤競爭；（7）輸入可以是交流市電（115v）（美國電壓標準）（8）輸出為交流115v，容量要求在2a以上，可直接驅(qū)動接觸器、電磁閥等；（9）擴展時原系統(tǒng)改變小；（10）用戶程序存儲器至少能擴展到4kb。這就是著名的“gm十條”。1969年美國數(shù)字設備公司（dec）中標后，制造出世界上第一臺可編程序控制器。（programmable logic

36、controller, 簡稱plc）。16位和32位微處理器的應用，使plc得到了驚人的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為自動化技術的三大支柱之一。3.1.2 簡介plc的發(fā)展狀況及其發(fā)展趨勢現(xiàn)在的plc產(chǎn)品已經(jīng)使用了16位、32位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處理器的多通道處理，通信技術使plc的應用得到進一步發(fā)展。plc的技術已經(jīng)非常成熟。目前，世界上有200多個廠家生產(chǎn)plc產(chǎn)品。比較著名的有美國的ab、通用（ge）、莫迪康（modicon）、日本的三菱（mitsubishi）、歐姆龍（omron）、富士電機（fuji）、松下電工、德國的西門子（siemens）、法國的te、施耐德（schneider）、

37、韓國的三星（samsung）、lg等。plc總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾方面：(1). 向小型化、專用化、低成本方向發(fā)展(2). 向大容量、高速度方向發(fā)展(3). 智能型i/o模塊的發(fā)展(4). 基于pc的編程軟件取代編程器(5). plc編程語言的標準化(6). plc通信的易用化.(7). 組態(tài)軟件與plc的軟件化(8). plc與現(xiàn)場總線相結(jié)合3.1.4 簡介plc的應用領域目前plc在國內(nèi)外廣泛應用于鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。（1）順序控制例如：注塑機械、印刷機械

38、、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等等。（2）運動控制（3）過程控制plc能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度。（4）數(shù)據(jù)處理（5）通信聯(lián)網(wǎng)3.1.5 plc的工作過程plc是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖3.1所示。3.1 plc的掃描工作過程plc在i/o處理方面必須遵守的規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(tài)；程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元

39、件的狀態(tài)；輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。3.1.6 plc的選型水泵m1、m2，m3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由plc的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉(zhuǎn)需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個。控制起動和停止需要2個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個輸入點，檢測電機

40、是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為24個點。本系統(tǒng)選用fxos-30mr-d型plc。3.2 變頻器3.2.1 變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（igbt、bjt、或gto作逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等圖3.2 變頻器的構(gòu)成1.主電路給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變

41、換部分，稱為主電路。圖3.4所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。 整流器最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.4所示，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，其功率方向可逆，可以再生運轉(zhuǎn)。 平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的

42、構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)pwm控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。圖3.3以電壓型pwm逆變器為例示出開關時間和電壓波形。圖3.3 電壓型逆變器的輸出電壓制動回路異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。圖3.4 典型的電壓型逆變器一例2

43、. 控制電路給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖3.2所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。在圖3.2點劃線內(nèi)，僅以控制電路a部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路b部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制?？刂齐娐分饕ǎ哼\算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 電壓/

44、電流檢測電路與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。 驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。 速度檢測電路以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（tg、plg等）的信號為速度信號送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 保護電路檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：（1）逆變器保護1）瞬時過電壓保護。由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。2）過載保護。逆變器

45、輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的gd2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3）再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。4）瞬時停電保護。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉(zhuǎn)。5）接地過電流保護。逆變器負載側(cè)接地時，為了保護逆變

46、器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設漏電斷路器。6）冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動機的保護1）過載保護。過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉(zhuǎn)。（3）其他保護1）防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路

47、動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，也進行同樣的控制。2）防止失速再生過電壓。減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。3.2.2 變頻器的特點變頻調(diào)速特別是變頻調(diào)速技術的發(fā)展，已使世界范圍內(nèi)的電氣傳動控制領域發(fā)生了根本性的變革，它是計算機控制技術、智能控制技術、電力電子技術等的綜合產(chǎn)物。由于變頻器具有高動態(tài)、高性能、大容量、節(jié)能等顯著的特點，并以其優(yōu)越的調(diào)速性能和節(jié)能優(yōu)勢得到廣泛應用，并取得了客觀的經(jīng)濟效益。國內(nèi)外

48、的資料表明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能效率可達20%40%。節(jié)約了電費、降低了生產(chǎn)成本、減少了啟動時對電網(wǎng)的沖擊，改善了工作環(huán)境，并易于實現(xiàn)自動化，同時可根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求控制的更準確、更快速。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個特點:1）高效節(jié)能變頻調(diào)速恒壓供水設備使整個供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達35%60% ，這一特點已被廣大用戶所認識并帶來效益2）占地面積小，投人少，效率高采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng)占地面積非常小，可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設專人管理、設備故障率極低

49、等方面都實現(xiàn)了進一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了此變頻恒壓供水系統(tǒng)占地面積小，投人少，效率高。3）配置靈活，功能齊全，自動化程度高。4）安全衛(wèi)生系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、天面水池、氣壓罐等設施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。5）管理簡便變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護、瞬時停電保護、過載、失速保護、主泵定時輪換控制等功能，功能完善，自動運行，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用fr-a540系列變頻器3.2.3 變頻器的接線管腳stf接plc的y7管腳，控制電

50、機的正轉(zhuǎn)。x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端作為plc增泵減泵控制信號。圖3.5 變頻器接線圖3.3 pid調(diào)節(jié)器 在供水系統(tǒng)的設計中，選用了具有pid調(diào)節(jié)模塊的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定，較好地滿足系統(tǒng)的恒壓要求。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional (比例)、integral(積分)、derivative(微分)控制方式，稱之為pid控制。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。具有以下優(yōu)點:理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握。pid控制器

51、是一種線性控制器，它是對給定值:r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t) , e(t)= y(t)-r(t) (3-6)經(jīng)比例(p)、積分(i)和微分(d)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)對被控對象進行控制，故稱pid控制器。系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.5所示，圖中u(t)為pid調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖3. 7 pid控制原理框圖pid控制規(guī)律為:（3-8）式中:kp為比例系數(shù);ti為積分時間常數(shù);td為微分時間常數(shù)。相應地傳遞函數(shù)形式:(3-9)pid控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下: 1)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t

52、)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例環(huán)節(jié)反映了系統(tǒng)對當前變化的一種反映。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)kp的增大而減少比例系數(shù)過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 2)積分環(huán)節(jié):表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關，即與偏差對時間的積分成線性關系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)t , t,越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強，易引起系統(tǒng)振蕩。 3)微分環(huán)節(jié):對偏差信號的變化趨勢(變化速率)做出反應，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個

53、有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的td對于干擾信號的抑制能力卻將減弱。 pid的三種作用是相互獨立，互不影響。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。自從計算機進入控制領域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)pid控制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字pid控制算法是通過對式離散化來實現(xiàn)的。用一系列的采樣時刻點nt代表連續(xù)時間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的積分，以一階后向差分近