變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄1 前言11.1 變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)用行業(yè)和場(chǎng)合11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)即要求12.系統(tǒng)的基本構(gòu)成及基本原理22.1 變頻供水系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖22.2 變頻供水系統(tǒng)的工作原理33 主電路設(shè)計(jì)及元件清單53.1 主電路設(shè)計(jì)結(jié)果53.2 主要參數(shù)及其器件選擇63.2.1 主要參數(shù)63.2.2 器件選擇73.3 元件清單104 保護(hù)電路設(shè)計(jì)115 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)125.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)結(jié)果125.2 驅(qū)動(dòng)電路主要參數(shù)計(jì)算及其器件選擇145.2.1 主要參數(shù)計(jì)算145.2.2 驅(qū)動(dòng)電路器件選擇165.3 驅(qū)動(dòng)電路元件清單16設(shè)計(jì)心得17參考文獻(xiàn)17附錄：變頻供水系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖191 前言1.1 變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)

2、用行業(yè)和場(chǎng)合泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我過(guò)泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類(lèi)型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類(lèi)型和質(zhì)量上存在的一些問(wèn)題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動(dòng)能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類(lèi)負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。以變頻器為核心結(jié)合 PLC 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力

3、、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與一體。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，方便的實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，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。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)即要求本系統(tǒng)是以一個(gè)供水系統(tǒng)作為被控對(duì)象，PLC 與變頻器協(xié)調(diào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)控制要求 :(1) 工藝參數(shù) : 供水系統(tǒng)由 3 臺(tái)水泵組成：母管壓力 H0.8 時(shí)，一臺(tái)定速，一臺(tái)變速，一臺(tái)備用。母管壓力

4、 H0.64 時(shí)，一臺(tái)定速或變速，二臺(tái)備用。母管壓力 H0.52 時(shí)，一臺(tái)變速，二臺(tái)備用。(2) 電動(dòng)機(jī)參數(shù)：型號(hào)： JD-L-39-4功率： 75KW額定頻率： 50Hz1額定電壓： 380VAC ；額定轉(zhuǎn)速： 1470 r/min額定電流： 126.6 A(3) 水泵電機(jī)的起動(dòng) /停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。(4) 變頻器采用遠(yuǎn)方控制方式。(5) 通過(guò)母管壓力變送器測(cè)得實(shí)際壓力大小，同時(shí)和壓力給定組成閉環(huán)控制。(6) 變頻器的運(yùn)行狀態(tài)指示（如運(yùn)行、停止、過(guò)流、低壓等） 。(7) 變頻器的報(bào)警處理。2.系統(tǒng)的基本構(gòu)成及基本原理2.1 變頻供水系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、變頻器

5、、D/A 模塊、 A/D 模塊、管道和壓力變送器等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1 所示：給定管網(wǎng)壓力PIDD/A變頻器管道接觸水泵器機(jī)組PLCA/D壓力變送器圖 2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)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

6、于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò)PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入2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(guò) 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 變頻供水系統(tǒng)的工作原理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2-2 所示：管網(wǎng)壓力信號(hào)報(bào)警信號(hào)PLC變頻器水池水位信號(hào)(含PID)壓力變送器M液位變送器用戶水泵機(jī)組水池圖 2-2

7、 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(wú)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(guò)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

8、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)，3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(lái)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(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)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、

9、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)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(guò)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(lái)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

10、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(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)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(lèi)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)

11、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 。43 主電路設(shè)計(jì)及元件清單3.1 主電路設(shè)計(jì)結(jié)果基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3-1 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(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS

12、3、QS4 分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)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(guò)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(guò)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。FUNL1L2L3QS1QS2QS3QS4RS TKM1KM3KM5變頻器UV WKM2KM4KM6FR1FR2FR3M1M2M3333圖 3-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖5三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔

13、離開(kāi)關(guān)接至變頻器的R、S、T 端，變頻器的輸出端U、V 、W 通過(guò)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(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，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

14、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(guò)電流互感器和變送器將 420mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。同時(shí)可以通過(guò)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(lái)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(kāi)主電路 (如直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi) )，而必須通過(guò)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.

15、2 主要參數(shù)及其器件選擇3.2.1 主要參數(shù)控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：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(kāi)環(huán)廣義過(guò)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。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2 所示。6+Wc(s)Wv(s)Wo(s)Wm(s)圖 3-2 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：WC (s)1 11TI s（3-1）本系統(tǒng)可近似為帶純

16、滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)其過(guò)程傳遞函數(shù)為WO ( s)2e 300 sWV (s) 50；反饋回路傳遞300s1；變頻器可近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即函數(shù)為 Wm ( s)0.03 。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)。0.2T1.5當(dāng)時(shí)，10.082.6T0.6(3-2)TTI0.8T(3-3)計(jì)算的：3， TI 240WC (s)1 11240s1PI 控制器的傳遞函數(shù)為：3240s720s3.2.2 器件選擇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P

17、LC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7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(guó) 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

18、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(kāi)關(guān)量輸出為16 點(diǎn)，輸出形式為AC220V 繼電器輸出； 開(kāi)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

19、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(guò) DIP 開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。(1)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(guò)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(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 控制變頻器以及矢量控制高

20、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。由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門(mén)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(mén)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(guò)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。 快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行

21、，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。8MicroMaster440 變頻器的輸出功率為0.7590KW，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(mén)子的變頻器可以通過(guò) RS-485 通信協(xié)議和接口直接與西門(mén)子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。(2)水泵機(jī)組的選型水泵機(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± 0.01M

22、pa。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(guò)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(lèi)似于水的無(wú)顆粒、無(wú)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)

23、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)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)?15V 或 420mA 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(guò)程中的干擾與損耗，我們采用 420mA 輸出壓力變送器。在運(yùn)行過(guò)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(kāi)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

24、，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 01Mpa，精度 1.0；數(shù)顯儀輸出一路 420mA 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(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。(4)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9控制。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位：2m5m，所以要通過(guò)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)（ 42

25、0mA 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： 0m200m，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420mADC 精度等級(jí)： 0.25級(jí)。3.3 元件清單根據(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3-3 所示：故障、狀態(tài)上位機(jī)、報(bào)警、控制等量輸入組態(tài)等等量輸出A/D 模塊可編程控制器(PLC)通訊模塊變頻器壓力軟啟動(dòng)、自變送器人機(jī)界面水泵機(jī)組耦變壓器圖 3-3 系

26、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）Siemens CPU 226模擬量擴(kuò)展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機(jī)組SFL 系列水泵 3 臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）10壓力變送器及顯示儀普通壓力表 Y-100、XMT-1270 數(shù)顯表儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司 )4 保護(hù)

27、電路設(shè)計(jì)檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路主要包括：（ 1）逆變器保護(hù)1）瞬時(shí)過(guò)電壓保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過(guò)逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過(guò)容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。2）過(guò)載保護(hù)。逆變器輸出電流超過(guò)額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路） 。過(guò)負(fù)載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過(guò)大或因負(fù)載過(guò)大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3）再生過(guò)電

28、壓保護(hù)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過(guò)容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過(guò)電壓。4）瞬時(shí)停電保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在 10ms 以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。5）接地過(guò)電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地時(shí)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有接地過(guò)電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，但風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。（ 2）異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)1）過(guò)載保

29、護(hù)。過(guò)載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來(lái)檢出過(guò)熱。動(dòng)作11頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。（ 3）其他保護(hù)1）防止失速過(guò)電流。 急加速時(shí)， 如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩， 則過(guò)電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速） 。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)電流，也進(jìn)行同樣的控制。2）防止失速再生過(guò)電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過(guò)電壓

30、保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過(guò)電壓。5 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)5.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)結(jié)果系統(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(mén)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

31、統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)， SA 打在 1 的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1SB6 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(guò)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 Q0.0Q0.5 及 Q1.1Q1.5 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 5-1 一起讀圖。12NL12PLCN1FU2KM1SA1SB1FR1KM2SB

32、2HL14KM1Q0.0KM2Q0.16KM1HL2KM3SB3FR2KM4SB4HL38KM3Q0.2KM4Q0.3KM3HL410KM5SB5FR3KM6SB6HL512KM5Q0.4KM6Q0.5KM5HL61416HL7Q1.1HL818Q1.2HL920Q1.3HAQ1.422KAQ1.524HL10圖 5-1 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(guò)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(kāi)關(guān) SA 打至 1 端時(shí)開(kāi)啟

33、手動(dòng)控制模式， 此時(shí)可以通過(guò)開(kāi)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(kāi)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(guò)按下 SB3、SB5 啟動(dòng)電機(jī) M2 、M3 ，通過(guò)按下 SB4、SB6 來(lái)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(kāi)關(guān)SA 打至 2 端時(shí)開(kāi)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)

34、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(kāi)，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(kāi)，實(shí)現(xiàn) KM2 、KM1 的電氣互鎖。同理， 2#、3#水13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) Q

35、1.4 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(kāi)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。5.2 驅(qū)動(dòng)電路主要參數(shù)計(jì)算及其器件選擇5.2.1 主要參數(shù)計(jì)算在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含PID 調(diào)節(jié)的 PLC 來(lái)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，

36、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 ：e(t ) y(t)r (t )（ 5-1）經(jīng)比例 (P)、積分 (I) 和微分 (D)運(yùn)算后通過(guò)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5-2 所示，圖中 u(t)為 PID 調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。比例給定壓力+ 頻率轉(zhuǎn)速實(shí)際壓力r(t)e(t)u(t)積分管網(wǎng)水泵y(t)+微分壓力變送器圖 5-2 PID 控制原理框圖PID 控制規(guī)律為：1de(t

37、 )y(t ) K p e(t)Tie(t )dt Td dt（5-2）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14式：U (s)KP(11Td s)G( s)Ti sE (s)（5-3）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(guò)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

38、要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)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(lái)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(lái)，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來(lái)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(guò)對(duì)式 (4.2)離散化來(lái)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

39、制算法表達(dá)式：TnTde(n)e(n 1)u(n) K P e(n)e( j )TTij 0（ 5-4）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 n 1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：u(n ) un() u n (1K) Pe n (e n)(1 )K I e(n )K De n() e2n (1e)n (2 )（ 5-5）式中：u(n) 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；TTDKI KPK DKPT。TI ；155.2.2 驅(qū)動(dòng)電路器件選擇水泵： M1 、M2 選用 40-160(I)A 型， M3 選用 40-