生活給水系統(tǒng)的PLC變頻調(diào)速控制

1、 南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)作 者:*學(xué) 號(hào)：教學(xué)點(diǎn):專 業(yè):題 目:生活給水系統(tǒng)的PLC變頻調(diào)速控制指導(dǎo)者： 評(píng)閱者： 2011 年 5 月南 京 理 工 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 題 目： 生活給水系統(tǒng)的PLC變頻調(diào)速控制 綜合成績(jī)： 良好 指導(dǎo)者評(píng)語： 該生能按期較圓滿的完成任務(wù)書中規(guī)定的任務(wù)，能較好的運(yùn)用所學(xué)理論和專業(yè)知識(shí)；立論正確，計(jì)算、分析正確，結(jié)論合理，具有一定的獨(dú)立工作能力和較好的科學(xué)作風(fēng)；較好地完成了任務(wù)，畢業(yè)設(shè)計(jì)論文有一定的水平。論文論述條理清楚，論述準(zhǔn)確，文字通順，書寫工整。設(shè)計(jì)圖紙完備、整潔、正確?？梢蕴峤淮疝q ，建議成績(jī)?yōu)榱己谩?

2、指導(dǎo)者(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語評(píng)閱者評(píng)語：該生按設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，完成了小區(qū)生活恒壓給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論文選題貼合工程實(shí)踐，具有較大的應(yīng)用價(jià)值及一定的理論意義，所得成果對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有一定的參考價(jià)值，工作量適中，論文結(jié)構(gòu)較合理，但監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢竟與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用有差距。論文達(dá)到本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求?？梢蕴峤淮疝q，建議成績(jī)?cè)u(píng)定為良好。 評(píng)閱者(簽字)： 年 月 日答辯委員會(huì)（小組）評(píng)語：該生能較好地完成課題任務(wù)；設(shè)計(jì)說明書（論文）完整、計(jì)算及論述基本正確；說明書（論文）寫書較規(guī)范，圖紙符合要求且質(zhì)量較高,答辯思路清晰，知識(shí)掌握較全面，口頭表達(dá)能力較好，回答問題正確率高，經(jīng)答辯委員會(huì)評(píng)議

3、，一致通過，該生成績(jī)?yōu)榱?。答辯委員會(huì)（小組）負(fù)責(zé)人(簽字)： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的給水要求，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)，送入變頻器與設(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

4、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)軟件畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要Title The drinking water systems of PLC frequency conversion control AbstractThis paper according to the requirements of the water supply of Chinese urban districts, design a system based on PLC and speed-adjusting con

5、stant pressure water supply system, and by using configuration software development good operation management interface. Frequency conversion constant pressure water supply system by PLC, frequency converter, pump unit, pressure sensor, industrial PC, etc. This system includes three pump motor, they

6、 constitute frequency conversion cycle operation mode. Adopt inverter to achieve the three-phase pump motor soft start-up and frequency control, run by first rev. First switch stop principle. Pressure sensor detection current water pressure signal, into PLC and setting PID operation after comparing

7、the computation, thus control frequency converter output voltage and frequency, and change the water pump motor speed to change water supply pipe pressure stability, ultimately keep near in setting. Through the industrial PC and PLC connections, which employs configuration software system monitoring

8、, realized the operation state and data, alarm dynamic display of the inquiry Keywords Variable-frequency regulating speed constant pressure water supply PLC Configuration software目 次1 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21.2.1 變頻調(diào)速技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀21.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀31. 3 PLC概述41.3.1 可編程控制器的定義41.3.2

9、PLC的發(fā)展和應(yīng)用41. 4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容52 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定62. 1 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù)62. 2 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn)72. 3 供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式82. 4 調(diào)速方式的比較與選擇92. 5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析102. 6 供水系統(tǒng)安全性討論112. 7 控制系統(tǒng)方案132. 8 供水系統(tǒng)的控制流程152. 9 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析173 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)183. 1 PLC選型及接線183.1.1 PLC的選型183.1.2 PLC的接線及I/O分配203. 2 水泵機(jī)組選型223. 3 變頻器選型及接線233.3.1

10、變頻器選型233.3.2 變頻器的接線263. 4 PID調(diào)節(jié)器273. 5 壓力傳感器303. 6 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)304 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)324. 1 PLC控制324.1.1 PLC程序流程圖324.1.2 手動(dòng)運(yùn)行334.1.3 自動(dòng)運(yùn)行334. 2 編程及介紹344.2.1 總程序的順序功能圖344.2.2 自動(dòng)運(yùn)行模式344.2.3 手動(dòng)模式354.2.4 系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計(jì)355 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)365. 1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成365. 2 MCGS組態(tài)軟件375.2.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)375.2.2 MCGS工程的五大部分385. 3 建立界面395.3.1 建立窗口395

11、.3.2 定義數(shù)據(jù)對(duì)象405. 4 編輯界面415.4.1 編輯畫面415.4.2 對(duì)象元件的選擇425. 5 MCGS與PLC之間的連接435.5.1 添加PLC設(shè)備435.5.2 PLC設(shè)備屬性的設(shè)置44結(jié)論46致謝47參考文獻(xiàn)48附錄A 系統(tǒng)硬件總圖49附錄B 系統(tǒng)梯形圖501 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

12、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) 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)

13、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

14、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)，

15、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?；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)

16、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，

17、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?？傊m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

18、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

19、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。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

20、和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(5.5kw22kw)，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?？梢钥闯?，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。

21、1. 3 PLC概述1.3.1 可編程控制器的定義可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC(Programmable logic Controller)，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)(International Electrical Committee)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

22、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 PLC的發(fā)展和應(yīng)用世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國數(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，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

23、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)

24、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. 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

25、壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力傳感器和現(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，在變頻其中根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制其輸出頻率，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)，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

26、圖控制程序，并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。供水系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用：2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2. 1 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù)供水系統(tǒng)的基本模型如圖2.1所示。泵用戶水面 h1吸水口摩擦損失 流量控制全揚(yáng)程水壓泵實(shí)際揚(yáng)程h0L0h2Hh3（a） 圖2.1 供水系統(tǒng)的基本模型 （b）（a）全揚(yáng)程的概念 ( b )基本模型) 圖中：L0一一水泵中心位置；h0一一吸水口水位；h1一一水平面水位；h2一一管道最高處水位：h3一一在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實(shí)的管道系統(tǒng)中，這個(gè)位置并不存在。只有在h3大于管道的實(shí)際最高位置的情況下，才能正常供水。主要參

27、數(shù)有：(1) 流量Q ：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是m3min。(2) 揚(yáng)程H也稱水頭：是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差。常用單位是m。(3) 實(shí)際揚(yáng)程Hb：供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位h2與最低水位h1，之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即：Hb=h2一h1。(4) 全揚(yáng)程HT：水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位h3與吸入口的水位ho之間的水位差。全揚(yáng)程的大小說明了水泵的泵水能力。即：HT=h3h0.(5) 損失揚(yáng)程HL：全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。Hb，HT，HL之間的關(guān)系是：HT=HL+ Hb。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全

28、揚(yáng)程必須大子實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失；(6) 管阻R：閥門和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力。和閥門開度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計(jì)算，常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。(7) 壓力p：表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。2. 2 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn)供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線

29、和管阻特性曲線，如圖2.2通過特性曲線可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點(diǎn)。QQE QNHTHoHEHNHCHB0ABN1234圖2.2 供水系統(tǒng)特性曲性 圖2.2中：曲線1一一額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)的揚(yáng)程特性曲線曲線2一一轉(zhuǎn)速n1時(shí)的揚(yáng)程特性曲線曲線3一一閥門開度100時(shí)的管阻特性曲線曲線4一一閥門開度不足100時(shí)的管阻特性曲線(1) 揚(yáng)程特性以管路中的閥門開度不改變?yōu)榍疤?，即截面積不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線HT=f （Q），稱為揚(yáng)程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程特性曲線不同，圖2.2中的曲線1、2分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速nN、n1，且nN n1，。曲線表明轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用水量增大，即流量增大

30、，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用Qu，表示。用水量一定時(shí)，即Qu不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。 (2) 管阻特性以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線HT=f （Q），稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖2.2中的曲線3對(duì)應(yīng)閥門開度大于曲線4對(duì)應(yīng)的閥門開度。管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來決定的，故管阻特性的流量可

31、以認(rèn)為是供水流量，用QG表示。在實(shí)際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的QG和QU是為了便于說明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。當(dāng)供水流量QG接近于0時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程(HT=HB)。表明了如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也就是能夠供水的基本揚(yáng)程。 (3) 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)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)。在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖2.2中的點(diǎn)表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門開度為100時(shí)的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)。 (4) 供水功

32、率供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率PG(kw)稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比： PG=CPHTQ （2-1）式中：CP比例常數(shù)。2. 3 供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之間的平衡情況有關(guān)。若：供水能力QG用水需求QU，則壓力P上升；若：供水能力QG用水需求QU，則壓力P下降；若：供水能力QG=用水需求QU，則壓力P不變?？?/p>

33、見，流體壓力P的變化反映了供水能力與用水需求Qu之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。將來用戶需求發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實(shí)現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。(1) 閥門控制法轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。(2) 轉(zhuǎn)速控制法閥門開度保持不變

34、，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。2. 4 調(diào)速方式的比較與選擇通過轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過三相異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=n1（1s）=60f（1s）p （22）式中，n1一一異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，rmin；n一一異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，rmin；P一一異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f一一異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；s一一轉(zhuǎn)速差，s=1nn1；可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻

35、調(diào)速。(1) 變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對(duì)數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。(2) 變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗與電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率J很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電

36、機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。(3) 變頻調(diào)速通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡(jiǎn)稱為VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通m基本不變，其關(guān)系為：U1f1=常數(shù) （23）式中：U1一一

37、變頻器輸出電壓；f1一一變頻器輸出頻率：變頻調(diào)速過程的特點(diǎn)：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。2. 5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析(1) 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)節(jié)能1) 轉(zhuǎn)速控制法與閥門控制法供水能耗分析在圖2.2中，將閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫在了同一坐標(biāo)系中。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)N點(diǎn)，當(dāng)所需流量減少，從額定流量QN變?yōu)镼E時(shí)，在恒壓前提下，采用閥門控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率PG與面積A

38、HEOQE成正比；采用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率PG與面積BHcOQE成正比。兩種控制方式下的面積之差P=AHEHcB表明了采取轉(zhuǎn)速控制方式相對(duì)于閥門控制方式可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與恒速運(yùn)行供水能耗分析根據(jù)水泵比例定理，改變轉(zhuǎn)速n，水泵流量Q、揚(yáng)程H和軸功率P隨之相應(yīng)變化，其關(guān)系式為：Q1Q=n1n （24）H1H=（n1n）2 （25）P1P=( n1n)3 (26)式中，n1、Q1、H1、P1分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和軸功率。從以上關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速n下降時(shí)，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的3次方關(guān)系下降，可見轉(zhuǎn)速對(duì)功率的影響是最大的。一般在設(shè)計(jì)中，水泵均考慮在最

39、不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點(diǎn)選型和安裝使用，即按額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。但在實(shí)際運(yùn)行中，管網(wǎng)用水量常常低于最不利工況，這時(shí)，如降低轉(zhuǎn)速相對(duì)于恒速泵供水運(yùn)行，能使水泵的軸功率大大減少?？梢?，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來實(shí)現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時(shí)節(jié)能效果更為明顯。(2) 變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行效率高在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，額定揚(yáng)程和額定流量通常留有裕量，而且，實(shí)際用水流量也往往達(dá)不到額定值，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，電機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)效率和功率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式變頻器能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻

40、調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。2. 6 供水系統(tǒng)安全性討論(1) 水錘效應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。(2) 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)徹底消除水錘效應(yīng)。水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的

41、快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。拖動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 TJ = TM TL （27）TM ：是電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩TL ：是供水系統(tǒng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖2.3反映了全壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。fNbTNa圖：全壓?jiǎn)?dòng) b圖：變頻啟動(dòng)fNf1f2f3f4TnT 0TJnnN圖2.3水泵的直接起動(dòng)和變頻起動(dòng)a圖2.3b中的鋸齒狀線是變頻起動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。由圖2.3可知，水泵在直接起動(dòng)過程時(shí)，因動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強(qiáng)烈的水錘效應(yīng)，通過變頻起動(dòng)，可有效地降低動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應(yīng)。停機(jī)過程效果類似。(3) 變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用采用變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處：1) 消除了水錘效應(yīng)，

42、減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命；2) 降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)；3) 避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命；4) 減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性：2. 7 控制系統(tǒng)方案該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、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)主要的設(shè)計(jì)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)的軟啟動(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。由于PLC+變頻器組成的恒

43、壓控制方式靈活方便，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。同時(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場(chǎng)所，本文采用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，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。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)PLC，一臺(tái)變頻器，水泵機(jī)組（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3臺(tái)），一個(gè)壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構(gòu)成。各部分功能如下：（1）水泵用來提高水壓

44、以實(shí)現(xiàn)向高處供水；（2）安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；（3）變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量；（4）PLC用于水泵的邏輯切換、控制等；（5）外圍輔助電路可以當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)供水。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制3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)對(duì)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理。通過壓力傳感器檢測(cè)管道壓力信號(hào)不斷反饋給變頻器，由變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時(shí)還不能滿足要求時(shí)由PLC自動(dòng)把那臺(tái)水泵切換到工

45、頻運(yùn)行，把變頻器自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵使其軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時(shí)在自動(dòng)進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到水泵切換時(shí)電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象，各種連鎖保護(hù)及報(bào)警、應(yīng)急措施。系統(tǒng)總體框圖如下2.4所示。變頻輸出工頻輸入RS232RS-485電網(wǎng)電動(dòng)閥門進(jìn)水口儲(chǔ)水池泵3泵2泵1P 變I 頻D 器P FXONL 485ADPCFX-485PCIF上位機(jī)用戶故障自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)壓力傳感器圖2.4系統(tǒng)總體框圖從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。(1)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。PLC系統(tǒng):它是整個(gè)變

46、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)中的工況、壓力、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)進(jìn)行控制。變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)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(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。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。（2）信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)水壓信號(hào)反饋信息和系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)。水壓信號(hào):反映了用戶管網(wǎng)的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號(hào)。

47、報(bào)警信號(hào):監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，為開關(guān)量信號(hào)。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是一組水泵，它們協(xié)調(diào)工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵工作，使得用戶管網(wǎng)的水壓保持恒定。（4）報(bào)警裝置任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，都離不開報(bào)警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止因水泵過載、變頻器異常、電網(wǎng)出現(xiàn)大波動(dòng)、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)PLC收集判斷，進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定。2. 8 供水系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)流程圖如圖2.5所示。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器將主水管網(wǎng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)PID運(yùn)算送給變頻器，并給出信號(hào)直

48、接控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號(hào)及其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短可作為PLC進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。PLC水泵電機(jī)變頻器 PID壓力傳感器出水口圖2.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。

49、同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC，PLC則根據(jù)變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺(tái)泵(或第3臺(tái)泵)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3泵。開始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器

50、的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)將最后一臺(tái)正

51、在運(yùn)行的水泵置于低速運(yùn)行。2. 9 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵已運(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)需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵已運(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)需要減少恒速水泉來減少供水流量，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。盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)

52、要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。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。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。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低到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，

53、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。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件

54、仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3. 1 PLC選型及接線3.1.1 PLC的選型PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量至關(guān)重要的。PLC選擇的基本原則是在滿足控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(jià)格比。目前市場(chǎng)上的PLC種類繁多，近年來，從美國、日本、德國引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個(gè)系列，上百種型號(hào)。其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格等各有自己的特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來考慮。世界各國生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC雖然外觀各異，但作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)都大體相同。主要