變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共41頁(yè))

1、I摘摘 要要隨著改革開(kāi)放的不斷深入，我國(guó)中小城市的城市建設(shè)及其經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，人民的生活水平不斷提高；同時(shí)，城市需水量日益加大，對(duì)城市供水系統(tǒng)提出了更高的要求。供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性直接影響到城區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也影響到城區(qū)居民的正常工作和生活。本文根據(jù)城區(qū)供水管網(wǎng)改造工程設(shè)計(jì)了一套由 PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有自動(dòng)工頻/變頻恒壓運(yùn)行、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制等功能。論文分析了采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門(mén)控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。通過(guò)對(duì)變頻器內(nèi)置 PID 模塊參數(shù)的預(yù)置，利用遠(yuǎn)傳

2、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(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。 論文論述了采用多泵并聯(lián)供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過(guò)程及存在的問(wèn)題。給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和 PLC 控制程序設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。并與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)的結(jié)合，提升了系統(tǒng)的總體性能。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水；變頻工頻切換Abstract With the continuous d

3、eepening of reforming and opening up, the construction and economy of small and medium-sized cities in China have developed rapidly. Peoples living standards have improved constantly. The water supply system is demanded more as city water consum ption increasing. The urban construction and economic

4、development and also peoples daily work and life are impacted directly by the reliability, stability and the economical of energy conservation of the water supply system.An autom atic conversion and voltage constant Water Supply and remote monitoring system, which consist of the PLC, the converter,

5、the remote transition pressure gauges, the multi-pumps unit, the computer and so on. It is of automatic line-frequency /conversion function, remote and local automatic control. In this paper, the mechanism of energy saving, which uses speed governing with invertor to design voltage constant water su

6、pply system, competing with traditional valve controlled pressure constant system. Closed loop system is built by presetting the parameter of the PID inside of convertor, and feedback of remote transiton hydraulic meter. Using the step regulation of convertor pump and frequency pump in full rang of

7、flow to apply PID control on the change of water achieves energy saving of voltage constant water supply. This paper discusses the reasonability of water supply scheme with much pump parallel connection, and analyses the conversion condition and the various states of water supply of the much pump wa

8、y of water supply as well as the switch process and the problem of a generator from variable frequency operation mode to work frequency operation mode. In addition，the combination of the system and the computer is achieved，which improved the overall function of the systemKey words：PLC; Variable Velo

9、city Variab le frequency; Constantp ressurewater-supply; variable frequency to working frequency目錄摘 要.IABSTRACT .II1 緒 論.11.1 課題背景及意義 .11.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 .11.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) .32 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析.42.1 供水系統(tǒng)的基本特性 .42.2 不同控制方式下的能耗分析與比較 .52.3 變頻恒壓控制的理論模型 .62.4 供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)及消除方法 .73 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計(jì).83.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及選型 .8

10、3.1.1 變極調(diào)速.83.1.2 變頻調(diào)速.93.2 供水系統(tǒng)的方案確定.103.2.1 供水系統(tǒng)的流量類(lèi)型.103.2.2 總體設(shè)計(jì)方案確定.103.2.3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成.123.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型.133.3.1 主電路設(shè)計(jì).133.3.2 電氣控制電路設(shè)計(jì).143.3.3 系統(tǒng)主要配置的選型.163.4 PLC 的選型.193.5 系統(tǒng)可靠性措施 .204 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).224.1 水泵工頻/變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過(guò)程分析 .224.1.1 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換.224.1.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系.224.1.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件.244.2 PLC 程序設(shè)計(jì).254.2.1

11、 PLC 編程語(yǔ)言.254.2.2 梯形圖語(yǔ)言編程的一般規(guī)則.254.3 供水系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì) .264.3.1 系統(tǒng)初始化模塊.264.3.2 水泵運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊.265 恒壓供水系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié).285.1 PID 控制及其控制算法.285.2 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過(guò)程分析.29結(jié) 論.31附 錄.32致謝.34參考文獻(xiàn).3511 緒緒 論論1.1 課題背景及意義隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻

12、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，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效果，這在能量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)意義在變頻恒壓供水系統(tǒng)中利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變水泵的出口的壓力的目的，這種方法比靠調(diào)節(jié)閥門(mén)控制水泵出口壓力的方法，具有更高的效率和優(yōu)越性。由于水泵工作在變頻工況下，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)了泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。實(shí)現(xiàn)恒壓供水的自動(dòng)控制，不需要操作

13、人員頻繁的操作，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力和能源的消耗。1.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 70 年代起，國(guó)內(nèi)外的很多專(zhuān)家，學(xué)者就開(kāi)始嘗試將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于供水系統(tǒng)的模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)及供水系統(tǒng)控制等方面。目前，國(guó)內(nèi)外供水系統(tǒng)采用的自動(dòng)控制技術(shù)不少，其特點(diǎn)是變頻技術(shù)與其他自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合。如最初的恒壓供水系統(tǒng)采用繼電接觸器控制電路，是與開(kāi)關(guān)量邏輯控制技術(shù)結(jié)合，通過(guò)人工啟動(dòng)或停止水泵和調(diào)節(jié)泵出口閥來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水。該系統(tǒng)線路復(fù)雜，操作麻煩，勞動(dòng)強(qiáng)度大，維護(hù)困難，自動(dòng)化程度低，應(yīng)用前景不好。后來(lái)增加了微機(jī)和 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)，提高了自動(dòng)化程度。但由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)是恒速

14、運(yùn)轉(zhuǎn)，水流量靠調(diào)節(jié)泵出口閥開(kāi)度來(lái)控制，浪費(fèi)大量的能源，也沒(méi)有很好的發(fā)展前景。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，通過(guò)變頻技術(shù)調(diào)速。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起、制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，得到了廣2泛的應(yīng)用。變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類(lèi)：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類(lèi)變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是且前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式。如希望集團(tuán)推出的恒壓供水專(zhuān)用變頻器。(2)國(guó)內(nèi)

15、中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類(lèi)變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠這類(lèi)變頻器電機(jī)功率在 135kW-320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 200V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國(guó)產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類(lèi)變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于 320kW)、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國(guó)外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器。變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) (1)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展在國(guó)內(nèi)外，專(zhuān)門(mén)針對(duì)供

16、水的變頻器集成化越來(lái)越高。很多專(zhuān)用供水變頻器集成了 PLC或 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來(lái)越簡(jiǎn)單，部分新品的變頻供水只需簡(jiǎn)單設(shè)定壓力值就可以正常運(yùn)行，控制軟件和其它參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定或利用傳感器自動(dòng)獲取完畢。 (2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過(guò)去變頻供水涉及較少的商壓變頻系統(tǒng)，也是發(fā)展的重要方向，高一低高型的高壓變頻系統(tǒng)、串聯(lián)多電平高壓變頻供水系統(tǒng)目前己在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善高壓高頻中的諧波等問(wèn)題也逐步得到解決。(3)變頻送水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)3面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門(mén)共同

17、面臨的重要課題。目前，在美國(guó)、日本、法國(guó)等地的有些城市已基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化，把變頻供水與計(jì)算機(jī)直接調(diào)度管理結(jié)合起來(lái)，我國(guó)也正在進(jìn)行著這方面的研究與小范圍應(yīng)用。1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)現(xiàn)有變頻恒壓供水系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):1、滯后性供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程控制量，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。2、非線性用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。3、多變性變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各

18、種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。4、時(shí)變性在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。5、容錯(cuò)性 完善的保護(hù)功能當(dāng)出現(xiàn)意外的情況時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。6、節(jié)能性系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行

19、軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零4到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析2.1 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(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 2-1 所示。由圖 2-1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（）間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔?/p>

20、表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程UQ與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f（） 。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UQ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 Q 之間的關(guān)系 H=f（） 。揚(yáng)程cQ特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱(chēng)為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 2-1 中 A 點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，UQcQ也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。HAHA揚(yáng)程特性管阻特性A

21、QQ圖 2-1 供水系統(tǒng)的基本特性52.2 不同控制方式下的能耗分析與比較當(dāng)用閥門(mén)控制時(shí)，若供水量高峰期水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Ql，揚(yáng)程為，當(dāng)供水0H量從減小到時(shí)必須關(guān)小閥門(mén)，這時(shí)閥門(mén)的摩擦阻力變大，阻力曲線從移到，揚(yáng)1Q2Q31程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從上升到，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 F 點(diǎn)，此時(shí)水泵輸出0H1H功率用圖形表示為(0,F,)圍成矩形部分，其值為1：2Q1H （2-1）02=102DH QPgh當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓()，變速泵()供水，管阻特性曲線為，揚(yáng)程特性0H2n2變?yōu)榍€，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率用圖2-2表示為(0，Q2,D,)圍2n

22、0H成的矩形面積，可見(jiàn)，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為（,D,F,）圍成的矩形面積，其值為：0H1H （2-2）0210212()-=-=102102102=FDH QHHQH QP PP所以，當(dāng)用閥門(mén)控制流量時(shí)，有功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門(mén)的不斷102102gh（H-H）Q關(guān)小，閥門(mén)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 E增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量 Q、揚(yáng)程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： ; ; （2-3）2211=QNQN22211=()HNHN32211=()PNPN式中 Ql、H1、P1 為變速前的流量、揚(yáng)程、

23、功率，、H2、P2為變速后的流量、揚(yáng)程、2Q功率。由公式(2-3)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比2，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門(mén)控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。6H2H1H0HFE1n2n02Q1QQD321圖 2-2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線2.3 變頻恒壓控制的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)

24、的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上3。給定參數(shù)變 頻 器 （PID）水泵頻率轉(zhuǎn)速管網(wǎng)實(shí)際壓力壓力傳感器反饋參數(shù)7圖 2-3 變頻恒壓控制原理圖從圖2-3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4。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

25、將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(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。2.4 供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)及消除方法水錘效應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急劇變化，引起在管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)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(chēng)為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂;壓強(qiáng)過(guò)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(mén)和固定件。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(guò)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。水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過(guò)程的快慢，決定了加速過(guò)程流量變化

26、的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。通過(guò)水泵電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，可減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此，選擇好的起動(dòng)方式和速度調(diào)節(jié)方法，可以減小或徹底消除水錘效應(yīng)，提高供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。83 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計(jì)3.1 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及選型轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，供水質(zhì)量好、能耗低、效率高，并可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性。通過(guò)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(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)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5： （3-1）160(1)(1)fnnssp=-=-式中， 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，

27、r/min；1nn 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；p 異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f 異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；s 轉(zhuǎn)速差，11=100%nnSn-可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。3.1.1 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(guò)改變電機(jī)定子繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專(zhuān)門(mén)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)。通過(guò)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。9三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為: (3-2)2222=3= s emCUPI rP該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱(chēng)為轉(zhuǎn)差功率，

28、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)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但適應(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)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(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(guò)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(guò)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。3.1.2 變頻調(diào)速1、變頻調(diào)速機(jī)械特性最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為：

29、11=Uf常數(shù)式中： 變頻器輸出電壓、 變頻器輸出頻率1U1f頻率 f 從額定值往下調(diào)時(shí)，電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖3-1 a）所示5，圖中Nf4321fffffN10 a)變頻調(diào)速機(jī)械特性 b)全壓起動(dòng) 圖 3-1 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性2、變頻調(diào)速過(guò)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(guò)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。3、變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用 (1)消除水錘效應(yīng)，減少對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。拖動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩=-JMLTTT ：是電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ：是供水系統(tǒng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩MTLT圖3-1

30、中 b）反映了全壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。圖中，曲線是異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線是水泵的機(jī)械特性。(2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)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。113.2 供水系統(tǒng)的方案確定供水系統(tǒng)的方案確定3.2.1 供水系統(tǒng)的流量類(lèi)型根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類(lèi)型分為連續(xù)型、間歇型兩大類(lèi)，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月

31、份，流量變化類(lèi)型也會(huì)改變。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就有一定的流量。間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱恪?.2.2 總體設(shè)計(jì)方案確定1、調(diào)速方式如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點(diǎn)，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，是實(shí)現(xiàn)恒壓供水轉(zhuǎn)速控制最佳方案。2、泵水方式多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)特大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少；其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水

32、，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來(lái)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(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺(tái)小流量泵來(lái)維持正常的泄漏和水壓。供水系統(tǒng)如圖3-2所示。12圖 3-2 供水系統(tǒng)圖1水位上限檢測(cè) 2水位下限檢測(cè) 3閘閥 4止回閥 5壓力檢測(cè)3、控制方式多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的 PLC 通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓是通過(guò)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)控制的。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓

33、。3.2.3 恒壓供水電控系統(tǒng)組成（1） 主電路：通過(guò)接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供工頻及變頻電源。（2） 電氣控制電路：成對(duì)主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的切換。（3） 變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測(cè)信號(hào)，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動(dòng)頻率等信號(hào)；并能實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)。（4）PLC 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對(duì)恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號(hào)指示報(bào)警等。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖3-3所示。13圖 3-3 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案圖3.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型3.3.1 主電路設(shè)計(jì)三臺(tái)大容量的

34、主水泵根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻、停泵三種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過(guò)兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)接觸器接入工頻。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來(lái)確定。QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣開(kāi)關(guān)，F(xiàn)R1、FR2、 FR3 、FR4 為工頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)過(guò)載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)。14變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的相序，否

35、則無(wú)法工作。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的配線長(zhǎng)度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來(lái)操作，不得以主電路空氣開(kāi)關(guān) QF2 的通斷來(lái)進(jìn)行。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。在電動(dòng)機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來(lái)觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計(jì)三相電源信號(hào)指示。圖3-4給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。 圖3-4主電路3.3.2 電氣控制電路設(shè)計(jì)為了保護(hù) PLC 設(shè)備，PLC 輸出端口并不是直接和交流接

36、觸器連接，而是在 PLC 輸出15端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門(mén)的動(dòng)作。在控制電路中多處對(duì)各主泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，為此對(duì)各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過(guò) PLC 內(nèi)部的軟繼電器來(lái)作互鎖。控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門(mén)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)和閥門(mén)的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)

37、和閥門(mén)的工作狀態(tài)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)6。圖3-5給出了供水系統(tǒng)的部分電氣控制線路圖3-5中，SA 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，KA 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在位置 KA 吸合，為自動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)按鈕 SB1-SB14 控制各臺(tái)泵的起停。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動(dòng)控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點(diǎn)接在四臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上，控制四臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。中間繼電器 KA 的常開(kāi)觸點(diǎn)接 PLC 的 X0，控制自動(dòng)變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四臺(tái)泵在 PLC 的控制下能夠

38、有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1-KA7 控制接觸器 KM1-KM7 的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。HL0 為自動(dòng)運(yùn)行指示燈。FR1、FR2、FR3、FR4 為四臺(tái)泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。16圖3-5 電氣控制線路圖3.3.3 系統(tǒng)主要配置的選型1、水泵機(jī)組的選型根據(jù)系統(tǒng)要求，考慮到用水量類(lèi)型為連續(xù)型高流量變化型，確定采用 3 臺(tái)主水泵機(jī)組和 1 臺(tái)輔助泵機(jī)組，設(shè)備選用型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表3-1。2、壓力變送器及數(shù)顯儀的選型選用普通壓力表 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 01MP，精度 1.5；數(shù)顯儀輸出一路 42

39、0mA 電流信號(hào)，送給變頻器作為 PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。表 3-1 水泵機(jī)組及參數(shù)17主要性能參數(shù)型號(hào)數(shù)量流量（/h3m）揚(yáng)程（m）效率（%）轉(zhuǎn)速（r/min）電動(dòng)機(jī)功率（kW）主水泵HGT1-250-4003108045721450200輔助水泵HGT1-120-40015045681450103、變頻器的選型與設(shè)定（1） 容量確定方法依據(jù)所配電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定電流來(lái)確定變頻器容量。在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器容量（kVA）應(yīng)同時(shí)滿足下列三式7： （KVA） (3-3)CNPcosMkPhj (KVA) (3-4)3

40、103CNMMPkUI (A) (3-5)CNIMIK 式中， 負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的輸出功率；MP電動(dòng)機(jī)的效率（通常在 0.85 以上）;cos 電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（通常在 0.8 以上）電動(dòng)機(jī)電壓（V） ；MU電動(dòng)機(jī)工頻電源時(shí)的電流（A）;MIk電流波形的修正系數(shù)，對(duì) PWM 方式，取 1.01.05；變頻器的額定容量（kVA） ；CNP18變頻器的額定電流（A） 。CNI這三個(gè)式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。（2） 型號(hào)選擇根據(jù)控制功能不同，通用變頻器為分為三種類(lèi)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

41、控制變頻器、矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類(lèi)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。綜上分析，系統(tǒng)選用專(zhuān)為風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型 U/f 控制方式的富士變頻器 FRN200P11S- 4CX，變頻器內(nèi)置 PID 控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其主要參數(shù)及性能介紹如下。主要參數(shù)額定容量：267（kVA ） ；額定輸出電流：386A；過(guò)載容量：150%額定輸出電流、1 分鐘；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：50%以上；適配電機(jī)容量：200kW。功能特點(diǎn)風(fēng)機(jī)、泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專(zhuān)用型變頻器；可選用自動(dòng)和手動(dòng)的轉(zhuǎn)矩提升功能，保證最佳的啟動(dòng)；加速時(shí)間設(shè)定范圍寬（0.01

42、 秒到 3600 秒） ，具有 S 形加減速功能和曲線加減速功能，讓加減速過(guò)程變得緩和，防止沖擊和載物倒塌；直流制動(dòng)功能，制動(dòng)時(shí)間在 0-30 秒范圍可調(diào)，保證快速可控的制動(dòng)，不需要外接電阻；內(nèi)置 PID 模塊，可用于閉環(huán)控制；多種頻率設(shè)定方式；多種附加功能；三路晶體管輸出。I/0 特性8 個(gè)可設(shè)定的多功能開(kāi)關(guān)量輸入口，給操作者極大的靈活性；3 路可設(shè)定的開(kāi)路集電極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達(dá)、頻率值檢測(cè)、過(guò)載、運(yùn)等多種提示；設(shè)有模擬電流/電壓輸入端子，實(shí)現(xiàn)外部頻率設(shè)定。19保護(hù)功能具有過(guò)電壓/欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、PTC 熱敏電阻保護(hù)、電機(jī)鎖死保護(hù)、缺相保護(hù)、電涌保護(hù)、失速保護(hù)

43、、CPU/存貯器異常保護(hù)等。（3） 變頻器接線及功能設(shè)定見(jiàn)表3-2，頻率參數(shù)設(shè)置說(shuō)明8：（1） 最高頻率：變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。（2） 上限頻率：實(shí)際預(yù)置需略低于額定頻率 50Hz。（3） 下限頻率：下限頻率不能太低，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。（4） 啟動(dòng)頻率：在從 0Hz 開(kāi)始啟動(dòng)的一段頻率內(nèi)，實(shí)際上電機(jī)轉(zhuǎn)不起來(lái)。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動(dòng)頻率值，使其在啟動(dòng)瞬間有一點(diǎn)沖擊力。表 3-2 變頻器接線及功能設(shè)定變頻器端子現(xiàn)場(chǎng)器件與接線端子功能代碼參數(shù)預(yù)置注釋FWDPLC的Y0端子啟動(dòng)/停止變頻運(yùn)行CMPLC的COMX1PLC的Y16E017PLC 的 Y16 動(dòng)作，自由停車(chē)Y2PLC的

44、X1E211頻率極限信號(hào)輸出30APLC的X5變頻器故障總報(bào)警信號(hào)30CPLC的COM接公共端F0350最高輸出頻率（Hz）F1549.5上限頻率（Hz）F1630下限頻率（Hz）F2310起動(dòng)頻率F17100頻率設(shè)定信號(hào)增益3.4 PLCPLC 的選型PLC 的選型主要從 PLC 的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、輸入/輸出接口模塊類(lèi)型等方20面來(lái)選擇 PLC 型號(hào)。根據(jù)供水系統(tǒng)控制任務(wù)及設(shè)計(jì)方案，輸入信號(hào)需 16 點(diǎn)，輸出信號(hào)需16 點(diǎn)，選擇三菱 FX2N-32MR 型 PLC，其 I/O 端子如表3-3所示。表 3-3 現(xiàn)場(chǎng)器件與 I/O 端子功能示意表現(xiàn)場(chǎng)器件與接線端子I/O地址功能注釋中

45、間繼電器KA常開(kāi)觸點(diǎn)X0自動(dòng)/手動(dòng)功能轉(zhuǎn)換變頻器Y2端子X(jué)1變頻器輸出頻率極限信號(hào)遠(yuǎn)傳壓力表壓力上限電節(jié)點(diǎn)X2壓力下限到達(dá)信號(hào)遠(yuǎn)傳壓力表壓力下限電節(jié)點(diǎn)X3壓力上限到達(dá)信號(hào)水池水位下限信號(hào)X4水池水位下限信號(hào)（缺水）變頻器輸出報(bào)警繼電器30AX5變頻器故障報(bào)警信號(hào)FR1常開(kāi)觸點(diǎn)X61#電機(jī)過(guò)載信號(hào)FR2常開(kāi)觸點(diǎn)X72#電機(jī)過(guò)載信號(hào)FR3常開(kāi)觸點(diǎn)X103#電機(jī)過(guò)載信號(hào)FR4常開(kāi)觸點(diǎn)X114#電機(jī)過(guò)載信號(hào)KM1常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X121#電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號(hào)KM3常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X132#電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號(hào)KM5常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X143#電機(jī)變頻運(yùn)行故障信號(hào)KA25常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X151#電機(jī)跳空開(kāi)故障信號(hào)KA2

46、6常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X162#電機(jī)跳空開(kāi)故障信號(hào)輸入KA27常開(kāi)輔助觸點(diǎn)X173#電機(jī)跳空開(kāi)故障信號(hào)接變頻器FWD端Y0實(shí)線復(fù)位/運(yùn)行控制KA1線圈Y11#變頻運(yùn)行控制及指示KA2線圈Y21#工頻運(yùn)行控制及指示KA3線圈Y32#變頻運(yùn)行控制及指示KA4線圈Y42#工頻運(yùn)行控制及指示KA5線圈Y53#變頻運(yùn)行控制及指示KA6線圈Y63#工頻運(yùn)行控制及指示輸出KA7線圈Y7輔助泵工頻運(yùn)行控制及指示21KA10線圈Y10水池水位下限報(bào)警指示KA11線圈Y11變頻器故障報(bào)警指示KA12線圈Y12現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制指示KA13線圈Y13自動(dòng)變頻運(yùn)行指示KA14線圈Y14自動(dòng)工頻運(yùn)行指示KA15線圈Y15遠(yuǎn)程手動(dòng)運(yùn)行

47、指示KA16線圈Y16變頻器X1端子功能有效KA17線圈Y17無(wú)人值守電話自動(dòng)報(bào)警FX2N-32MR 主要參數(shù)及特點(diǎn):I/O 點(diǎn)數(shù)：16/16；用戶程序步數(shù):：4K；基本指令：27 條；功能指令：298 條；基本指令執(zhí)行時(shí)間：0.08 微秒；通信功能：強(qiáng)；輸出形式：繼電型；輸出能力：2A/點(diǎn)。3.5 系統(tǒng)可靠性措施作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，還需考慮加強(qiáng)抗干擾措施，保證運(yùn)行的穩(wěn)定性9。（1） 變頻器和 PLC 應(yīng)安裝于專(zhuān)門(mén)的控制柜中，但一定要保證良好的通風(fēng)環(huán)境和散熱，PLC 四周留有 50 mm 以上的凈空間。環(huán)境溫度最好控制在 45以下，相對(duì)濕度在 590%，盡量不要安裝在多塵、有油

48、煙、有導(dǎo)電灰塵、有腐蝕性氣體、振動(dòng)、熱源或潮濕的地方。（2） 控制柜和水泵現(xiàn)場(chǎng)距離不要太遠(yuǎn)，尤其是遠(yuǎn)傳壓力表至變頻器的 4-20mA 電流信號(hào)和至 PLC 的壓力上、下限開(kāi)關(guān)量信號(hào)的傳輸電纜要盡可能短，而且要盡量遠(yuǎn)離那些會(huì)22產(chǎn)生電磁干擾的裝置。（3） 外圍設(shè)備信號(hào)線、控制信號(hào)線和動(dòng)力線應(yīng)分開(kāi)敷設(shè)，不能扎在一起，且應(yīng)采用屏蔽線且屏蔽層接地。（4） 變頻器和 PLC 均要可靠接地。接地電阻應(yīng)小于 100，接地線須盡可能短和粗，并且應(yīng)連接于專(zhuān)用接地極或公用接地極上，不要使用變頻器、PLC 外殼或側(cè)板上的螺釘作為接地端。而且二者在接地時(shí)，應(yīng)盡量分開(kāi)，不要使用同一接地線。（5） 電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，電

49、機(jī)冷卻效果下降，應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)具有良好的通風(fēng)條件。（6） 在電氣設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中，充分考慮電氣設(shè)備之間的互鎖關(guān)系。（7） 選用性能可靠的繼電器、接觸器對(duì)于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行也具有十分重要的意義。（8） 要考慮防雷設(shè)計(jì)。如電源是架空進(jìn)線.在進(jìn)線處裝設(shè)變頻器專(zhuān)用避雷器，或按規(guī)范要求在離變頻器 20m 遠(yuǎn)處預(yù)埋鋼管做專(zhuān)用接地保護(hù)。如果電源是電纜引入，則應(yīng)做好控制室的防雷系統(tǒng)，以防雷電竄入破壞設(shè)備10。（9） 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還加入了無(wú)人執(zhí)守故障自動(dòng)撥號(hào)報(bào)警器。當(dāng)出現(xiàn)變頻器故障、電機(jī)故障、PLC 故障以及水位過(guò)低等現(xiàn)象時(shí)，自動(dòng)撥打管理人員的電話，提高系統(tǒng)故障的應(yīng)急處理能力。234 PLCPLC 控制控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

50、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 水泵工頻/變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過(guò)程分析4.1.1 供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換供水狀態(tài)是指供水時(shí)按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)及運(yùn)行狀況。根據(jù)城區(qū)用水量可分為小、較小、較大和大四種情況，并分別由輔助泵、一臺(tái)主泵變頻、兩臺(tái)主泵一工一變及三臺(tái)主泵兩工一變投入運(yùn)行。啟動(dòng)自動(dòng)變頻運(yùn)行方式時(shí)，首先起動(dòng)輔助穩(wěn)壓泵工頻運(yùn)行供水，當(dāng)用水量大，超過(guò)輔助泵最大供水能力而無(wú)法維持管道內(nèi)水壓時(shí)，延時(shí) 1 分鐘 PLC 通過(guò)變頻器啟動(dòng) 1 號(hào)主水泵供水，同時(shí)關(guān)閉輔助泵的運(yùn)行。在 1 號(hào)主水泵供水過(guò)程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器調(diào)整 1#主水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻

51、器輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，延時(shí)分鐘，由 PLC 給出控制信號(hào)，將 1 號(hào)主水泵與變頻器斷開(kāi)，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時(shí)變頻器對(duì) 2 號(hào)主水泵軟啟動(dòng)。系統(tǒng)工作于 1 號(hào)工頻、2 號(hào)變頻的兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的供水狀態(tài)。當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器通過(guò) PID 調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)維持水壓。若變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，水壓仍過(guò)高，延時(shí) 1 分鐘，按“先起先?！钡脑瓌t，由 PLC 給出控制信號(hào)，將當(dāng)前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關(guān)閉，同時(shí) PID 調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動(dòng)升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當(dāng)用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先停”原則逐臺(tái)關(guān)閉處于工頻運(yùn)行的水泵

52、。當(dāng)系統(tǒng)處于單臺(tái)主水泵變頻供水狀態(tài)時(shí)，若用水量減少，變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，水壓仍過(guò)高時(shí)，延時(shí) 5 分鐘后，關(guān)閉變頻器運(yùn)行，啟動(dòng)輔助泵維持供水。4.1.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系為保證在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)，各臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間基本均等，避免某臺(tái)電機(jī)長(zhǎng)期得不到運(yùn)行而出現(xiàn)繡死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。若有 N 臺(tái)水泵參與變頻調(diào)速，則滿足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態(tài)數(shù)為+1。將來(lái)的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來(lái)回循環(huán)。2N24本系統(tǒng)采用了三臺(tái)主水泵和一臺(tái)輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運(yùn)行，共有 10 種有效供水狀態(tài)，見(jiàn)表4-1表 4-1 系統(tǒng)供水狀態(tài)用

53、水量狀態(tài)符號(hào)供水狀態(tài)小S0輔助泵運(yùn)行，1、2、3#停機(jī)S201#變頻運(yùn)行，2、3#停機(jī)S212#變頻運(yùn)行，1、3#停機(jī)較小S223#變頻運(yùn)行，1、2#停機(jī)S231#工頻運(yùn)行，2#變頻運(yùn)行，3#停機(jī)S242#工頻運(yùn)行，3#變頻運(yùn)行，1#停機(jī)較大S253#工頻運(yùn)行，1#變頻運(yùn)行，2#停機(jī)S261、2#工頻運(yùn)行，3#變頻運(yùn)行S272、3#工頻運(yùn)行，1#變頻運(yùn)行大S283、1#工頻運(yùn)行，2#變頻運(yùn)行各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系見(jiàn)圖 4-1：25圖 4-1 供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中，箭頭向下為增泵過(guò)程，箭頭向上為減泵過(guò)程。從圖4-1可見(jiàn)，供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關(guān)，還與其目前所處的供水狀態(tài)有關(guān)；由輔助泵切換

54、到主泵供水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式，即上一次啟動(dòng) 1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應(yīng)啟動(dòng) 2#泵。4.1.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達(dá)極限頻率及水壓是否達(dá)到上、下限值。設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極限頻率時(shí)的信號(hào)為 X1，水壓達(dá)到設(shè)定壓力下限值時(shí)的欠壓信號(hào)為 X2，水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)的超壓信號(hào)為 X3。從輔助泵切換到主泵條件：滿足 X2；從主泵切換到輔助泵條件：同時(shí)滿足 X1、X3；增泵條件：同時(shí)滿足 X1、X2；減泵條件：同時(shí)滿足 X1、X3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法從輔助泵切換到主泵只需斷開(kāi)輔助泵的供電，同時(shí)用變頻器以起始頻率起動(dòng)一臺(tái)主26泵的運(yùn)行即

55、可。從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開(kāi)，同時(shí)將輔助泵直接投入工頻運(yùn)行即可。4.2 PLC 程序設(shè)計(jì)4.2.1 PLC 編程語(yǔ)言PLC 是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的一種新型的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。采用了面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題、簡(jiǎn)單直觀的 PLC 編程語(yǔ)言，易于學(xué)習(xí)和掌握。盡管?chē)?guó)內(nèi)外不同廠家采用的編程語(yǔ)言不盡相同，但程序的表達(dá)方式基本類(lèi)似，主要有四種形式：梯形圖，指令表，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級(jí)語(yǔ)言。梯形圖編程語(yǔ)言是一種圖形化編程語(yǔ)言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令。4.2.2

56、 梯形圖語(yǔ)言編程的一般規(guī)則通常微、小型 PLC 主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有11：(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號(hào)地址必須在所使用 PLC 的有效范圍內(nèi)。(2)梯形圖是 PLC 形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒(méi)有真實(shí)的電流流過(guò)。但為了讀圖方便，常用“有電流” “得電”等來(lái)形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動(dòng)作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流” ，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流，層次的改變也只能自上而下。(3)梯形圖

57、中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開(kāi)，反之為“0”態(tài)。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。(4)梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。27(5)繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用：而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。(6)PLC 在解算用戶邏輯時(shí)，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的。4.3 供水系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)4.3

58、.1 系統(tǒng)初始化模塊在初始化模塊中設(shè)置通信用數(shù)據(jù)寄存器 D8120, D8121 ,D8129 的通信參數(shù)；至標(biāo)志為 M6=1，在自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，首先起動(dòng)輔助泵，進(jìn)入 S0 狀態(tài):至標(biāo)志 M0=1，保證輔助泵的運(yùn)行狀態(tài)首次 S0 轉(zhuǎn)入主泵運(yùn)行狀態(tài) S20。初始化過(guò)程通過(guò) M8002 產(chǎn)生的初始化脈沖來(lái)完成。4.3.2 水泵運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊（1）輔助泵/主泵的轉(zhuǎn)換主泵轉(zhuǎn)輔助泵運(yùn)行是指在單臺(tái)主泵供水時(shí)，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時(shí)，延時(shí) 5 分鐘，關(guān)閉變頻器運(yùn)行，啟動(dòng)輔助泵的過(guò)程。即由狀態(tài) S11 轉(zhuǎn)入 S0 的過(guò)程。PLC 置輸出繼電器 Y1 為 0，同時(shí)置 Y7= 1。輔助泵轉(zhuǎn)主泵運(yùn)行

59、是指由輔助泵供水，水壓達(dá)到壓力下限時(shí)，延時(shí) 1 分鐘，關(guān)閉輔助泵，用變頻器啟動(dòng)一臺(tái)主泵運(yùn)行的過(guò)程。即由狀態(tài) S0 轉(zhuǎn)入 S11 的過(guò)程。具體起動(dòng)哪一臺(tái)主泵，進(jìn)入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個(gè)狀態(tài)，按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來(lái)操作。在編程時(shí)，以輔助繼電器 M3，M2， Ml 作為 S20，S21，S22 狀態(tài)的轉(zhuǎn)入標(biāo)志，三者按循環(huán)方式動(dòng)作，保證狀態(tài) S20，S21，S22 的循環(huán)。（2）主泵的增加增加主泵是將當(dāng)前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻，同時(shí)變頻起動(dòng)一臺(tái)新水泵的切換過(guò)程。當(dāng)變頻器輸出上限頻率，水壓達(dá)到壓力下限時(shí)，延時(shí) 1 分鐘，PLC 給出控制信號(hào)，PLC 的Y16 得電，變頻器的 X1 端子對(duì) CM 短接，變

60、頻器的自由停車(chē)指令 BX 生效，切斷變頻器輸出，延時(shí) 500ms 后，將主水泵與變頻器斷開(kāi)，延時(shí) l00ms，將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同28時(shí) PLC 的 Y16 失電，BX 指令取消，變頻器以起始頻率啟動(dòng)一臺(tái)新的主水泵。這段程序設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮動(dòng)作的先后關(guān)系及互鎖保護(hù)。（3）減少主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊減少主泵是指在多臺(tái)主泵供水時(shí)，變頻器輸出下限頻率，水壓處于壓力上限時(shí)，按“先起先?！痹瓌t，將當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)中最先進(jìn)入工頻運(yùn)行的水泵從電網(wǎng)斷開(kāi)。水泵運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖如圖4-2所示；根據(jù)水泵運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊流程圖編制的輔泵/主泵、主泵（S20S23S26）之間切換的部分程序見(jiàn)附錄， （S21S24S2