【正文】 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]。 PLC概述 可編程控制器的定義可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guó)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(zhuān)門(mén)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(lái)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(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)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)。” 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(guó)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(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)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?xún)r(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(guó)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(guó)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(guó)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(lè)等各個(gè)行業(yè)，被稱(chēng)為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 西門(mén)子S7200PLC簡(jiǎn)介西門(mén)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，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。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；(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。 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)。7山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2 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： () 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(zhuān)門(mén)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(guò)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)能原理供水系統(tǒng)的揚(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。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(hù)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)榍疤幔砻鏖y門(mén)在某一開(kāi)度下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。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(hù)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(chēng)為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶(hù)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。 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(mén)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)和水泵做成一體，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。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(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門(mén)控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)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(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)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(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度保持不變，是通過(guò)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(hù)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： （） （） () ()式中k、kkk3為比例常數(shù)。 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線當(dāng)用閥門(mén)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(mén)，這時(shí)閥門(mén)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H1Q2。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H0Q2，由于H1H0，所以當(dāng)用閥門(mén)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(mén)的不斷關(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(mén)控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的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(guò)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(wú)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?xún)r(jià)比，但開(kāi)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(lái)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(hù)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(guò)PC機(jī)來(lái)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(lèi)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(wú)關(guān)。通過(guò)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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖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)，：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(hù)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(hù)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(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、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