變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。變頻器供水系統(tǒng)以管網(wǎng)水壓（或用戶用水流量）為設(shè)定參數(shù)，通過(guò)微機(jī)控制變頻器的輸出頻率從而自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)（PID），使供水系統(tǒng)自動(dòng)恒穩(wěn)于設(shè)定的壓力值：及用水量增加時(shí)，頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大。用水量減小時(shí)，頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量亦相應(yīng)的減小，這樣就保證了供水效率用戶對(duì)水壓和水量的要求，同時(shí)達(dá)到了提高供水質(zhì)量和供水效率的目的，采用該設(shè)備不需要建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無(wú)二次污染，是一種較為理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備。2.設(shè)計(jì)的思路、方法用變頻設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著（可根據(jù)具體情況計(jì)算出來(lái)）。其優(yōu)點(diǎn)是：(1)

起動(dòng)平衡，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；

(2)

由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)泵和閥門(mén)等的使用壽命；(3)可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)；

一般地說(shuō)，當(dāng)由一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，只需使變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量與實(shí)際電動(dòng)機(jī)容量相符即可。當(dāng)一臺(tái)變頻器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，原則上變頻器的配用電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)等于兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的容量之和。但如在高峰負(fù)載時(shí)的用水量比兩臺(tái)水泵全速供水量相差很多時(shí)，可考慮適當(dāng)減小變頻器的容量，但應(yīng)注意留有足夠的容量。雖然水泵在低速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作電流較小。但是，當(dāng)用戶的用水量變化頻繁時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過(guò)電動(dòng)機(jī)的額定電流，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。因此，電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)是必需的。對(duì)于這種由于頻繁地升、降速而積累起來(lái)的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護(hù)功能是難以起到保護(hù)作用的，所以應(yīng)采用熱繼電器來(lái)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的熱保護(hù)。

在主要功能預(yù)置方面，最高頻率應(yīng)以電動(dòng)機(jī)的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時(shí)間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時(shí)間應(yīng)盡量設(shè)定得短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時(shí)，只要在預(yù)置時(shí)設(shè)定PID功能有效，則所設(shè)定的升速和降速時(shí)間將自動(dòng)失效。3.與本課題相關(guān)的資料變頻器PLC繼電器4.調(diào)研的目的和總結(jié)隨著人們生活質(zhì)量的提高，在生活用水方面的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。同時(shí)，由于工廠工藝的要求，對(duì)供水質(zhì)量也得出了更高的要求。變頻恒壓供水以其環(huán)保、節(jié)能和供水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)在供水行業(yè)中越來(lái)越得到認(rèn)同。在城市小區(qū)化的發(fā)展中，采用以小區(qū)或社區(qū)為統(tǒng)一整體的供水方案，會(huì)使設(shè)備的利用率及節(jié)能比例大大提高，并減少初始投資和占地面積。4.1變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)4.1.1變頻恒壓供水能自動(dòng)24小時(shí)維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，無(wú)級(jí)調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會(huì)造成管網(wǎng)破裂及開(kāi)水籠頭時(shí)的共振現(xiàn)象。4.1.2避免了泵的頻繁啟動(dòng)及停止，而且啟動(dòng)平滑，減少了電機(jī)水泵的啟動(dòng)沖擊，增加了電機(jī)水泵的使用壽命，也避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象4.1.3傳統(tǒng)供水中設(shè)計(jì)有水箱，不但浪費(fèi)了資金，占用了較大的空間，而且水壓不穩(wěn)定，水質(zhì)有污染，不符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而采用變頻恒壓供水，此類(lèi)問(wèn)題也就迎刃而解了。4.1.4采用變頻恒壓供水，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶實(shí)際用量，自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速，達(dá)到節(jié)能效果。避免了水塔供水無(wú)人值班時(shí)，總要開(kāi)啟一個(gè)泵運(yùn)行的現(xiàn)象，節(jié)省了人力及物力4.1.5變頻恒壓供水可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)動(dòng)功能，延長(zhǎng)了電機(jī)水泵的使用壽命。4.1.6變頻恒壓供水系統(tǒng)保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱、缺相、短路保護(hù)等功能。4.2工作原理變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設(shè)定壓力（也可采用面板內(nèi)部設(shè)定壓力），采用一個(gè)壓力傳感器（反饋為4~20mA或0-10V）檢測(cè)管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號(hào)送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個(gè)水量增加或減少信號(hào)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。如在一定延時(shí)時(shí)間內(nèi)，壓力還是不足或過(guò)大，則通過(guò)PLC作工頻/變頻切換，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致。另外，隨著用水量的減少，變頻器自動(dòng)減少輸出頻率，達(dá)到了節(jié)能的目的。4.2.1適用范圍采用變頻恒壓供水，具有高效節(jié)能，壓力穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單，安裝方便，占地少，噪音低，無(wú)污染，投資低，效益高等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于：4.2.2賓館、寫(xiě)字樓、公寓、居民小區(qū)等場(chǎng)所的生活給水和熱水采暖系統(tǒng)。4.2.3高層建筑、大型民用建筑的消防給水系統(tǒng)。4.2.4工礦生產(chǎn)企業(yè)4.2.5各類(lèi)自來(lái)水廠第二部分設(shè)計(jì)說(shuō)明1.理論分析1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理

供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門(mén)開(kāi)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f(Q)，如圖1-1

所示。由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門(mén)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Q(u)間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系HJ(Qu)。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。由圖可知，在同一閥門(mén)開(kāi)度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門(mén)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Hf(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。圖1-1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(mén)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。2.2

變頻恒壓控制理論模型

變頻恒壓控制系統(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。從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。圖1-2變頻恒壓控制原理圖2.3設(shè)備選型2.3.1

用水量計(jì)算及水泵的選型

(1)用水量計(jì)算

設(shè)計(jì)流量的大小直接關(guān)系到水泵的選型、管網(wǎng)的口徑及給水的安全保證性。目前，一般住宅小區(qū)的設(shè)計(jì)流量主要包括以下幾方面;①居民生活用水;②公共建筑用水;③消防用水;④綠化用水;⑤澆灑道路用水;⑥未預(yù)見(jiàn)水量及管網(wǎng)漏失水量。其中，公共建筑用水可按現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》給水當(dāng)量計(jì)算;澆灑道路和綠地用水量應(yīng)根據(jù)路面、綠化、氣候和土壤等條件確定，草本植物可選2.0L/(m2·d);木本植物可選1.0L/(m2·d);未預(yù)見(jiàn)水量及管網(wǎng)漏損量，可按最高日用水量的10%-15%合并計(jì)算。而最難確定的是小區(qū)居民生活用水，這主要是住宅小區(qū)大小不一，幢數(shù)不同。這就決定了住宅小區(qū)居民生活用水量的確定，既不同于城市市政給水設(shè)計(jì)，也不同于建筑物室內(nèi)給水設(shè)計(jì)。平時(shí)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用經(jīng)驗(yàn)做法;小區(qū)生活用水干管按最高日最大時(shí)流量公式進(jìn)行計(jì)算，宅前支管和進(jìn)戶管按當(dāng)量以設(shè)計(jì)秒流量公式進(jìn)行計(jì)量。如表1為某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的某住宅小區(qū)的生活用水量計(jì)算結(jié)果表1

某住宅小區(qū)用水量計(jì)算表

數(shù)量用水地點(diǎn)戶數(shù)

560標(biāo)準(zhǔn)用水量(m3)系數(shù)備注住宅樓1647300L/人洗車(chē)52183L/m2綠化370201.5L/m2（每日二次）未預(yù)見(jiàn)186918按10%計(jì)合計(jì)204397193

按照城市自來(lái)水公司的給水安全性要求，每座水泵房的給水服務(wù)面積不允許超過(guò)50000m2，約450戶居民，按每戶3.5人計(jì)算，則總用水人數(shù)1575，按照城市住宅標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“住宅每人最高日生活用水定額不應(yīng)小于230L”，可取300L/(人·d)。又根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ15-88)第1.6.1中的方法，有以下的公式：

Qh

=

KhQd/T式中

Qh-最大小時(shí)生活用水量(m3/h);

Qd-最高日用水量(m3/d);

T-每日(或最大班)使用時(shí)間(h/d);

Kh-小時(shí)變化系數(shù)，本市可取2.2。

則：(2)水泵選型

目前，住宅小區(qū)的室外埋管均采用UPVC塑料給水管。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及GBJ15-88規(guī)定，選擇室外管管徑為DN100。按照服務(wù)半徑150m及十二層建筑(2.8m層高)計(jì)算，取住宅分戶表前的靜水壓力70kPa(或十一躍十二層時(shí)為100kPa)，水表安裝距樓面高度1.0m，水泵揚(yáng)程估算：H

=

18.48×0.15×1.3+2.8×11+1.0+7.0

=

42.4m

或H

=

18.48×0.15×1.3+2.8×10+1.0+10.0

=

42.6m圖2-1變頻恒壓供水管根據(jù)流量及揚(yáng)程，即可選擇水泵。由于市政常壓管網(wǎng)可直接提供綠化等其它常壓用水，故不考慮應(yīng)用水泵。

變頻恒壓供水管網(wǎng)圖如圖2-1所示。圖2-1中1#、2#水泵為生活水泵，一用一備。3#、4#為消防水泵。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，輸出信號(hào)為4～20mA。2.3.2

變頻器選型及功能預(yù)置（一）變頻器簡(jiǎn)介變頻器（Variable-frequencyDrive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。我們使用的電源分為交流電源和直流電源，一般的直流電源大多是由交流電源通過(guò)變壓器變壓，整流濾波后得到的。交流電源在人們使用電源中占總使用電源的95%左右。無(wú)論是用于家庭還是用于工廠，單相交流電源和三相交流電源，其電壓和頻率均按各國(guó)的規(guī)定有一定的標(biāo)準(zhǔn)，如我國(guó)大陸規(guī)定，直接用戶單相交流電壓為220V，三相交流電線電壓為380V，頻率為50Hz，其它國(guó)家的電源電壓和頻率可能與我國(guó)的電壓和頻率不同，如有單相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，標(biāo)準(zhǔn)的電壓和頻率的交流供電電源叫工頻交流電。通常，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過(guò)程叫整流。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢l率和一定電壓的逆變電源。對(duì)于逆變電源頻率和電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對(duì)于主要用在儀器儀表的檢測(cè)設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對(duì)波形進(jìn)行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價(jià)格的15－－20倍。變頻器也可用于家電產(chǎn)品。使用變頻器的家電產(chǎn)品中，不僅有電機(jī)（例如空調(diào)等），還有熒光燈等產(chǎn)品。用于電機(jī)控制的變頻器，既可以改變電壓，又可以改變頻率。但用于熒光燈的變頻器主要用于調(diào)節(jié)電源供電的頻率。變頻器的工作原理被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。例如計(jì)算機(jī)電源的供電，在該項(xiàng)應(yīng)用中，變頻器用于抑制反向電壓、頻率的波動(dòng)及電源的瞬間斷電。變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成的。2.4變頻器的選型與控制方式

2.4.1

變頻器的選型：

大部分制造廠都專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)了“風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用型”的變頻器系列。這里，根據(jù)前期調(diào)研，直接選用歐姆龍3G3RV-ZV1系列的變頻器。

2.4.2控制方式與U/?設(shè)定

以選用V/F控制方式為宜。大部分變頻器都給出兩條“負(fù)補(bǔ)償”的U/?。對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，宜選用負(fù)補(bǔ)償程度較輕的U/?線。2.5變頻器的功能預(yù)設(shè)

2.5.1

最高頻率

水泵屬于二次方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速10%時(shí)，轉(zhuǎn)矩將超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩21%。導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過(guò)額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即

?max

=

?N

=

50Hz

2.5.2上限頻率

一般來(lái)說(shuō)，上線頻率也以等于額定頻率為宜。但有時(shí)也可預(yù)置的略低一些，原因有以下兩個(gè)：

2.5.3由于變頻器內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，因此，同是在50Hz的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于工頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機(jī)的負(fù)載。2.5.4也有人認(rèn)為：變頻調(diào)速系統(tǒng)在50Hz下運(yùn)行，還不如直接在工頻下運(yùn)行為好，可以減少變頻器本身的損失。

所以，將上限頻率預(yù)置為49.5Hz是適宜的。2.5.5下限頻率

在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程，形成水泵“空轉(zhuǎn)“現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為30~35Hz。

2.5.6

啟動(dòng)頻率

水泵在啟動(dòng)前，其葉輪全部在水中，啟動(dòng)時(shí)，存在著一定阻力，在從0Hz開(kāi)始啟動(dòng)的一段頻率內(nèi)，實(shí)際上轉(zhuǎn)不起來(lái)。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動(dòng)頻率，使其在啟動(dòng)瞬間有一點(diǎn)沖力。2.5.7升速與降速時(shí)間

一般來(lái)說(shuō)，水泵不屬于頻繁的啟動(dòng)與制動(dòng)負(fù)載，其升速與降速時(shí)間的長(zhǎng)短并不涉及生產(chǎn)效率的問(wèn)題。因此，升速與降速時(shí)間可以適當(dāng)?shù)仡A(yù)置得長(zhǎng)一些。通常，決定升速與降速時(shí)間的原則是：在啟動(dòng)過(guò)程中，其最大啟動(dòng)電流接近或略大于電動(dòng)機(jī)的額定電流。降速時(shí)間只需和升速時(shí)間相等即可。圖2-2變頻調(diào)速原理圖2.6PLC選型2.6.1.PLC簡(jiǎn)介它是一種即時(shí)系統(tǒng)有別於個(gè)人電腦.傳統(tǒng)式以繼電器為主的電機(jī)控制系統(tǒng)中,每當(dāng)變更設(shè)計(jì)時(shí),整個(gè)系統(tǒng)幾乎都要重新制作,不但費(fèi)時(shí)又費(fèi)力;同時(shí)由於繼電器還有接點(diǎn)接觸不良、磨損、體積大之缺點(diǎn),因此造成成本升高、可靠性低、不易檢修等問(wèn)題.為了改善這些缺點(diǎn),美國(guó)DEC在1969年首度發(fā)表：可程式控制器(ProgrammableController).程式控制器在發(fā)表初期被稱為(ProgrammableLogic-Controller)簡(jiǎn)稱PLC,最先的目的是取代繼電器，從而執(zhí)行繼電器邏輯及其他計(jì)時(shí)或計(jì)數(shù)等功能的順序控制為主,所以也稱順序控制器,其結(jié)構(gòu)也像一部微電腦,所以也可稱為微電腦可程式控制器(MCPC),直到1976年,美國(guó)電機(jī)制造協(xié)會(huì)正式給予命名為ProgrammableController,即可程式控制器,簡(jiǎn)稱PC,由于目前個(gè)人電腦(PersonalComputer)極為普遍,加上常與可程式控制器配合使用,為了區(qū)分兩者,所以一般都稱可程式控制器為PLC以加以分別.目前市面上之PLC控制器種類(lèi)繁多,依照制造廠商及適用場(chǎng)所的不同而有所差異,但是每種廠牌可依機(jī)組復(fù)雜度分為大、中、小型;而一般工廠及學(xué)校通常使用小型PLC,其中以日系F系列及我國(guó)A系列PLC較受?chē)?guó)人愛(ài)用.而本CAI將以三菱FX2PLC控制器為主加以介紹,望使用者能對(duì)PLC有更深的瞭解,在使用PLC時(shí)能更得心應(yīng)手.可程式控制器內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)可用下圖來(lái)表示,其內(nèi)部處單元包括CPU、輸入模組、輸出模組三大部門(mén),PLC控制器的CPU會(huì)經(jīng)由輸入模組取得輸入元件所產(chǎn)生的訊號(hào),再?gòu)挠洃涹w中逐一取出原先以程式書(shū)寫(xiě)器中輸入的控制指令,經(jīng)由運(yùn)算部門(mén)邏輯演算後,再將結(jié)果通過(guò)輸出模組加以驅(qū)動(dòng)外在的輸出元件.2.6.2PLC的選擇在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

2.6.3輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

I/O點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的可擴(kuò)展。余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。根據(jù)估算的方法故本課題的I/O點(diǎn)數(shù)為輸入5點(diǎn)，輸出10點(diǎn)。2.6.4存儲(chǔ)器容量的估算

存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。因此本課題的PLC內(nèi)存容量選擇應(yīng)能存儲(chǔ)2000條梯形圖，這樣才能在以后的改造過(guò)程中有足夠的空間。2.6.5機(jī)型的選擇

目前，國(guó)內(nèi)眾多的生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了多種系列功能各異的PLC產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無(wú)所適從。通過(guò)對(duì)輸入/輸出點(diǎn)的選擇、對(duì)存儲(chǔ)容量的選擇、對(duì)I/O響應(yīng)時(shí)間的選擇以及輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型的分許。我決定使用的三菱公司生產(chǎn)的FX2N列的FX2N-32M型號(hào)的可編程控制作為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制器,但是由于和變頻器之間的信號(hào)不同，我們要添加一個(gè)有A/D、D/A轉(zhuǎn)換功能的模擬輸入輸出模塊，將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸入變頻器。FX2N是從16路到256路輸入/輸出的多種應(yīng)用的選擇方案；FX2N系列是小型化，高速度，高性能和所有方面都是相當(dāng)于FX系列中最高檔次的超小形程序裝置。除輸入出16-25點(diǎn)的獨(dú)立用途外，還可以適用于在多個(gè)基本組件間的連接，模擬控制，定位控制等特殊用途，是一套可以滿足多樣化廣泛需要的PLC。在基本單元上連接擴(kuò)展單元或擴(kuò)展模塊，可進(jìn)行16-256點(diǎn)的靈活輸入輸出組合?？蛇x用16/32/48/64/80/128點(diǎn)的主機(jī)，可以采用最小8點(diǎn)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展?？筛鶕?jù)電源及輸出形式，自由選擇。程序容量：內(nèi)置800步RAM（可輸入注釋?zhuān)┛墒褂么鎯?chǔ)盒，最大可擴(kuò)充至16K步。豐富的軟元件應(yīng)用指令中有多個(gè)可使用的簡(jiǎn)單指令、高速處理指令、輸入過(guò)濾常數(shù)可變，中斷輸入處理，直接輸出等。便利指令數(shù)字開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)讀取，16位數(shù)據(jù)的讀取，矩陣輸入的讀取，7段顯示器輸出等。數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運(yùn)算、平方根、浮點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算等。特殊用途、脈沖輸出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脈寬調(diào)制，PID控制指令等。外部設(shè)備相互通信，串行數(shù)據(jù)傳送，ASCIIcode印刷，HEXASCII變換，校檢碼等。時(shí)計(jì)控制內(nèi)置時(shí)鐘的數(shù)據(jù)比較、加法、減法、讀出、寫(xiě)入等。三菱plc-FX2N-128MR-001基本單元帶64點(diǎn)輸入/64點(diǎn)繼電器輸出FX2N-80MR-001

基本單元帶40點(diǎn)輸入/40點(diǎn)繼電器輸出z基本單元帶32點(diǎn)輸入/32點(diǎn)繼電器輸出FX2N-48MR-001

基本單元帶24點(diǎn)輸入/24點(diǎn)繼電器輸出。2.7壓力傳感器的選型

根據(jù)我們的需要，并結(jié)合它所具有的特點(diǎn)，我選用PTH503壓力傳感器。它采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。輸出信號(hào):

4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)

供電電壓:

24DCV(9～36DCV)。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、水利、化工、醫(yī)療、電力、空調(diào)、金剛石壓機(jī)、冶金、車(chē)輛制動(dòng)、樓宇供水等壓力測(cè)量與控制，具有高精度、高穩(wěn)定性、高重復(fù)性、量程范圍寬、介質(zhì)兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

其實(shí)物圖如圖2－4所示。圖2-4PTH503壓力傳感器的實(shí)物第三部分設(shè)計(jì)成果1.系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)原理恒壓供水的基本控制策略是:采用可編程控制器（plc）與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量,自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。圖3-1恒壓供水系統(tǒng)控制原理框圖變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由變頻器、泵組電機(jī)、供水管網(wǎng)、儲(chǔ)水箱、智能pid調(diào)節(jié)器、壓力變送器、plc控制單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時(shí)變頻器還可作為電機(jī)軟啟動(dòng)裝置，限制電機(jī)的啟動(dòng)電流。壓力變送器的作用是檢測(cè)管網(wǎng)水壓。智能pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的pid調(diào)節(jié)。plc控制單元?jiǎng)t是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時(shí)還是變頻器的驅(qū)動(dòng)控制，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動(dòng)調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。變頻器和plc的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動(dòng),消除了對(duì)電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)機(jī)電設(shè)備的使用壽命。2.變頻器的接線圖3.PLC接線圖4.PLC流程圖

5.PLC梯形圖 6.電路圖電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路圖、控制電路圖以及PLC外圍接線圖。

6.1.主電路圖如下圖3-1所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器喝三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；FU1為主電路的熔斷器，VVVF為簡(jiǎn)單的一般變頻器。 圖3-1電控系統(tǒng)主線路6.2控制電路圖

圖3-2所示電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，SA打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB2控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通/斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行[13]。

圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過(guò)一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5為PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。外圍接線圖如圖3-3所示。