電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)論文-基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要PAGE摘要本論文根據(jù)中國城市小區(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?！钡脑瓌t。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ABSTRACTABSTRACTAccordingtotherequirementofChina'surbanwatersupply,thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC,andhavedevelopedgoodoperationmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition.ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumps,pressuresensorandcontrolmachineandsoon.Thissystemisformedbythreepumpgenerators,andtheyformthecirculatingrunmodeoffrequencyconversion.Withgeneralfrequencyconverterrealizeforthreephasepumpgeneratorsoftstartwithfrequencycontrol,operationswitchadoptstheprincipleof”startfirststopfirst”.Thedetectionsignalofpressuresensorofhydraulicpressure,viaPLCwithsetvaluebycarryoutPIDcomparisonoperation,so,controlfrequencyandtheexportvoltageoffrequencyconverter,andthentherotationalspeedthatchangespumpgeneratorcometochangewatersupplyquantity,eventually,itisnearbytomaintainpipenetpressuretostabilizewhensetvalue.ThroughworkcontrolmachinetheconnectionwithPLC,withgroupformsoftwareconsummatelysystematicmonitoring,haverealizedoperationstatedevelopmenttoshowanddata,reporttothepoliceinquiry.Keywords:variablefrequencyspeed-regulating,constant-pressurewatersupply,PLC,supervisioncontrolanddataacquisition.目錄目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1緒論 11.1課題的提出 11.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(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 51參考文獻(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緒論P(yáng)AGE71緒論1.1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家，長(zhǎng)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(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度較低，而隨著我國社會(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、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]?；赑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(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。1.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1變頻調(diào)速技術(shù)的國內(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(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(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(jì)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(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。總之，雖然國內(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(duì)國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，像日本Samco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]。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國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、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(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(5.5kw~22kw)，無需外接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。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(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)?！?.3.2世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國數(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)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)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，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)品的配套能力來說，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S7-2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；(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)。系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定PAGE812系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定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：(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。2.1.2變頻恒壓供水供水系統(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)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(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(dòng)阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，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。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(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)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(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(shí)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(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(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(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：（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(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)榍€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H0×Q2，由于H1>H0，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PC機(jī)來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)組的容量大小無關(guān)。通過對(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：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(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)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(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)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(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：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(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4—20mA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D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(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?yàn)楫?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)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(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(shí)際供水壓力也會(huì)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(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)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(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下[11]：加泵條件：且延時(shí)判別成立(2.6)減泵條件：且延時(shí)判別成立(2.7)式中：：上限頻率：下限頻率：設(shè)定壓力：反饋壓力系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3.1所示：圖3.1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及其擴(kuò)展模塊、(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3.1所示：表3.1本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴(kuò)展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM440水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)3.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型PLC是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。因此我們?cè)谶x擇PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；PLC可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實(shí)現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)[12]。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個(gè)模擬輸入(AIW)，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。EM235模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。3.1.2變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7-200型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡(jiǎn)單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.75~90KW，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合，恰好其輸出信號(hào)能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.1.3水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)機(jī)額定功率75KW，供水壓力控制在0.3±0.01Mpa。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺(tái)上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為75KW的上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵3臺(tái)。3.1.4壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~5V或4~20mA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出[13]。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。壓力表測(cè)量范圍0~1Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號(hào)，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。3.1.5液位變送器選型考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測(cè)到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4~20mA電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入PLC。綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測(cè)量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號(hào)：兩線制4~20mADC精度等級(jí)：0.25級(jí)。3.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器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；FR1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，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(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2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(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器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(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器FR實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，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KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)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4~20mA電流信號(hào)送至上位機(jī)來顯示。同時(shí)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(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)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(dòng)、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(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。3.3系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。PLC主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(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~SB6控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。圖3.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下：(1)手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。單刀雙擲開關(guān)SA打至1端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。SB1按下時(shí)由于KM2常閉觸點(diǎn)接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī)M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng)SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路，KM1線圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動(dòng)電機(jī)M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機(jī)M2、M3停機(jī)。（2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時(shí)開啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，Q0.1輸出1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)Q0.0輸出1時(shí)，KM1線圈得電，1#水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1點(diǎn)亮，同時(shí)KM1的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當(dāng)Q0.1輸出1時(shí)，KM2線圈得電，1#水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2點(diǎn)亮，同時(shí)KM2的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當(dāng)Q1.1輸出1時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.2輸出1時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈HL8點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.3輸出1時(shí)，白天供水模式指示燈HL9點(diǎn)亮；當(dāng)Q1.4輸出1時(shí)，報(bào)警電鈴HA響起；當(dāng)Q1.5輸出1時(shí)，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點(diǎn)KA閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點(diǎn)亮。3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：(1)由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2)在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。(3)考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4)三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。(5)系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表3.2所示。表3.2輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間)SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLHLI0.1變頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM1、HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2、HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3、HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖3.3和PLC的I/O端口分配表3.2，畫出PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖3.4所示：圖3.4PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入PLC的擴(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平1，送入I0.1；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.2相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開關(guān)SB7與I0.3相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。Q0.0~Q0.5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；Q1.1輸出水位超限報(bào)警信號(hào)；Q1.2輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；Q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；Q1.4輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；Q1.5輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)；AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4只是簡(jiǎn)單的表明PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1)直流電源的容量；(2)電源方面的抗干擾措施；(3)輸出方面的保護(hù)措施；(4)系統(tǒng)的保護(hù)措施等。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下：(1)由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。(2)多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過3h，因此每次需啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。(3)程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。程序中使用的PLC元件及其功能如表4.1所示。表4.1程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD108PID計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)KcM0.1水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)VD116采樣時(shí)間TsM0.2水泵變頻啟動(dòng)脈沖(減泵)VD120積分時(shí)間TiM0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD124微分時(shí)間TdM0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VD204變頻運(yùn)行頻率下限值M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD208變頻運(yùn)行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號(hào)M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù)M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器M3.0故障信號(hào)匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制4.2PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP7-MicroWIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言[14]。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)5min（以便消除水壓波動(dòng)的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺(tái)數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。(3)水泵的軟啟動(dòng)程序增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，對(duì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷，超過3h則自動(dòng)倒泵變頻運(yùn)行。(4)各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生1#泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時(shí)，Q0.1置1，KM2常開觸點(diǎn)閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運(yùn)行，同時(shí)KM2常閉觸點(diǎn)打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。(5)各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前2#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3#泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點(diǎn)閉合，1#水泵工頻運(yùn)行，同時(shí)KM1常閉觸點(diǎn)打開防止KM2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。(6)報(bào)警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模式運(yùn)行指示燈以及報(bào)警電鈴。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會(huì)一直點(diǎn)亮。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號(hào)和工頻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號(hào)。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細(xì)的主程序梯形圖請(qǐng)參考附錄C。主程序流程圖如圖4.1所示。由于在圖4.1中并未對(duì)各臺(tái)水泵的變頻和工頻運(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖4.2和圖4.3對(duì)其作了完整的補(bǔ)充。其中圖4.2是以2#泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖4.3是以2#泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。1#、3#泵的運(yùn)行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復(fù)。如圖4.1所示。本設(shè)計(jì)主程序大體包括以下幾部分：(1)調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值；(2)根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運(yùn)行數(shù)；(3)根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號(hào)；(4)通過工頻泵數(shù)和變頻泵號(hào)對(duì)各泵運(yùn)行情況進(jìn)行控制；(5)進(jìn)行報(bào)警和故障處理。圖4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖4.22#泵變頻運(yùn)行控制流程圖圖4.32#泵工頻運(yùn)行控制流程圖4.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)(1)初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運(yùn)行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運(yùn)行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。具體程序梯形圖如圖4.4所示。圖4.4初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過PID運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號(hào)。具體程序梯形圖如圖4.5所示。圖4.5PID控制中斷子程序INT_0梯形圖4.3PID控制器參數(shù)整定4.3.1P在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。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(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]：（4.1）經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4.6所示，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。圖4.6PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為：（4.2）式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式：（4.3）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(hào)的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(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(dǎo)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(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，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(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti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(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)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(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)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(duì)式(4.2)離散化來實(shí)現(xiàn)的。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式：（4.4）式中：T為采樣周期；n為采樣序號(hào)；e(n)為第n時(shí)刻的偏差信號(hào)；e(nl)為第n1時(shí)刻的偏差信號(hào)。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：（4.5）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。4.3.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫?，這是一個(gè)純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測(cè)環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測(cè)等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成[16]：（4.6）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間。4.3.3P控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計(jì)算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對(duì)象WO(s)和測(cè)量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法[17]。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.7所示。圖4.7恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由于本設(shè)計(jì)對(duì)壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為：（4.7）本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即；反饋回路傳遞函數(shù)為。由于本系統(tǒng)具有自衡能力，與公式(4.8)、(4.9)可求的PI控制器各參數(shù)。當(dāng)時(shí)，(4.8)(4.9)計(jì)算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為