【正文】 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)能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(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]。 基于 PLC 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。 組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件應(yīng)該能支持各種工控設(shè)備和常見的通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。組態(tài)（ configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上，除采用工業(yè) PC 機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的 I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)。這不僅節(jié)約了硬件開 發(fā)時(shí)間，更提高了工控系統(tǒng)的可靠性。在軟件設(shè)計(jì)上由于采用成熟的工控開發(fā)的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，用戶不需要掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個(gè)復(fù)雜工程所要求的所有功能。 工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計(jì)算機(jī)語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控程序開發(fā)的難度。組態(tài)軟件均具有良好的擴(kuò)展性、兼容性，軟件結(jié)構(gòu)開放，可接受各種形式的數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，支持的硬件類型 也十分廣泛 [1]。工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)，使得大型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單、容易，工程設(shè)計(jì)人員不用再設(shè)計(jì)那些復(fù)雜的應(yīng)用程序（如 I/O driver 等）。工控組態(tài)軟件的功能 包括數(shù)據(jù)庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報(bào)表生成、順序控制功能、連續(xù)調(diào)節(jié)功能。目前有許多工控組態(tài)軟件。例如： Intouch、 Fix、 Citech、 WinCC、Controx（開物）、 Force control（力控）、組態(tài)王。 目前 ,就國內(nèi)而言，歸結(jié)起來主要采用以下三種方法 : 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 4 （ 1）水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點(diǎn) 這種方式是集中供水。對于一、二層是商業(yè)群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前較多采用此種供水方案。一般設(shè)計(jì)有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設(shè)屋頂水箱。主水泵一般有三臺(tái)，二開一備自動(dòng)切換，副泵一般為一小流量泵，夜間用水量小時(shí)主泵自動(dòng)切換到副泵，以維持系統(tǒng)壓力基本不變。 恒壓變頻供水是較為理想和先進(jìn)的。首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變，根據(jù)用水量大小進(jìn)行變頻供水，既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動(dòng)（對電網(wǎng)電壓沖擊不大），延長了水泵壽命。各臺(tái)水泵自動(dòng)輪換使用，即最先投入使用的水泵最早退出運(yùn)行，這樣各臺(tái)水泵壽命均等，而且一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能自動(dòng)跳過故障泵運(yùn)行。 （ 2）水池－水泵－高位水箱－用水點(diǎn) 此方式也是集中供水。單幢次高層和高層建筑的高壓供水區(qū)較多采用該種方案。一般也需要設(shè)計(jì)有一座地下水池，通過兩臺(tái)水泵（一用一備）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水點(diǎn)。該方式是較成熟的水泵、水箱供水方式。 （ 3）單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點(diǎn) 此方式已簡化為單元總水表進(jìn)水。單元水箱和單元增壓泵實(shí)際上是一個(gè)整 體，我們稱之為單元增壓器。由于有屋頂水箱，高水位時(shí)停泵，低水位時(shí)啟泵，這 樣，水泵也有了停息時(shí)間，既省電又不至于一停電就停泵無水供應(yīng)，用水有了保障，社會(huì)效益較好。 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在供水 行業(yè) 得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實(shí)際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用 中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義 。 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 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 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)控計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 5 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)。 ” 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。 西門子 S7200PLC 簡介 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， S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級(jí)為第二代產(chǎn)品， 20xx 年升級(jí)為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 [6]： (1) 功能強(qiáng)大。 S7200 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； 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 6 (4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面； (5) 有競爭力的價(jià)格； (6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。 本課題的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，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，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 7 第 2 章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案 確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理 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： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f表示電源頻率， p表示電動(dòng)機(jī)極對數(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)極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 由交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式 n=60f 1/p*(1s) （式中 n— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 。f— 定子供電頻率 。s— 轉(zhuǎn)差率 。p— 電機(jī)極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機(jī)定子的供電頻率ｆ 1,就可平滑改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 .對于異步電動(dòng)機(jī)的變頻傳動(dòng) ,為了避免電機(jī)過磁飽和 ,同時(shí)抑制啟動(dòng)電流 ,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進(jìn) 行安全運(yùn)轉(zhuǎn) ,在改變頻率的同時(shí) ,對定子電壓也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié) .逆變器主回路把三相 50Ｈｚ 交流電整流濾波為直流 ,再通過ＰＷＭ脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管 ,把直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，由此可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。那么下面我們就關(guān)心的問題就是水流量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系。由流體力學(xué)的原理可得下列表達(dá)式 : Q1/Q2=n1/n2。 H1/ H2= (n1/n2) 2。 P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q代表流量； H 代表揚(yáng)程（水壓）； P代表 軸功率； n 代表轉(zhuǎn)速），當(dāng)流量減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，其電機(jī)輸出功率則大幅度下降。例如：當(dāng)流量下降到 80％ ，轉(zhuǎn)速也下降到80％ 時(shí)，其軸功率則下降到額定功率的 51％ ；當(dāng)流量降到 50％ ，軸功率將下降到額定功率的 13％ ，即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引起效率下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。 改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，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，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 8 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。 變 頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。變頻調(diào)速恒壓供水 系統(tǒng) 通過實(shí)時(shí)檢測供水主管出口壓力，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較 ,經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運(yùn)算處理后 ,在線自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器 ,控制泵的轉(zhuǎn)速隨壓力變化而變化 ,最終達(dá)到主管出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的。原理圖見圖 21 圖 21 恒壓供水原理圖 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?，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，如圖 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 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