【正文】 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(kāi)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)，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(kāi)、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[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(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。2 總體方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求 設(shè)計(jì)的目標(biāo)：本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)一套具有計(jì)算機(jī)監(jiān)控功能的高層建筑物恒壓供水系統(tǒng)的控制部分，該設(shè)計(jì)主要針對(duì)高層建筑物供水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水量隨著用戶用水量的增減而實(shí)時(shí)增減，但須保持供水水壓恒定。計(jì)算機(jī)監(jiān)控部分，主要實(shí)現(xiàn)供水水壓設(shè)定和系統(tǒng)運(yùn)行情況的動(dòng)態(tài)顯示。 任務(wù)要求：供水對(duì)象為一棟45米高、180戶居民的住宅樓，需考慮生活、消防用水；當(dāng)用戶用水量變化時(shí)，要求系統(tǒng)供水壓力（液位）波動(dòng)在177。2％之內(nèi)；在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上可以設(shè)定系統(tǒng)供水壓力（液位），可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。 控制方案的選定根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求,本系統(tǒng)采用目前較為先進(jìn)的交流變頻調(diào)速恒壓供水的控制方案。系統(tǒng)由PLC、變頻器、水箱、供水機(jī)組、供水管網(wǎng)和各種傳感器、儀表組成。傳感器變頻器供水管系PLC電 腦 控制示意圖 系統(tǒng)整體示意圖變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。(3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動(dòng)投入水泵M2(變速運(yùn)行)，同時(shí)變頻泵M1做工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。(4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M3關(guān)掉。 3 硬件設(shè)計(jì)和選型 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則：（1）應(yīng)最大限度地滿足機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的控制要求；（2）確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠；（3）力求控制簡(jiǎn)單、實(shí)用、合理；（4）系統(tǒng)應(yīng)留有一定余量。[2] PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和步驟： ：（1）根據(jù)被控對(duì)象的工藝擬定控制系統(tǒng)的控制功能及目標(biāo)；（2）細(xì)化控制系統(tǒng)的各類技術(shù)要求；（3）選型及硬件配置；（4）編制I/O分配表，繪制PLC系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接線圖；（5）依據(jù)軟件說(shuō)明書，編制PLC應(yīng)用程序；（6）編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書和系統(tǒng)使用說(shuō)明書、操作規(guī)則等；（7）系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和投運(yùn)。[2] ：（1）分析被控對(duì)象并提出控制要求；（2）確定輸入輸出設(shè)備；（3）選擇PLC機(jī)型；（4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件電路；（5）程序設(shè)計(jì)和程序模擬調(diào)試；（6）硬件實(shí)施主要進(jìn)行控制臺(tái)等硬件的設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工；（7）聯(lián)機(jī)調(diào)試；（8）根據(jù)調(diào)試的最終結(jié)果編制技術(shù)文件。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)按以下流程進(jìn)行： PLC控制系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)：：三臺(tái)電機(jī)分別為MMM3，它們分別帶動(dòng)水泵3。接觸器KMKMKM5分別控制MMM3的工頻運(yùn)行；接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的變頻運(yùn)行；FRFRFR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QSQSQSQS4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。PLC中的模擬量模塊輸出模擬量(OuT0)使變頻器變頻啟動(dòng)第一臺(tái)泵，即開(kāi)關(guān)量KM2閉合。當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到供水管網(wǎng)內(nèi)水壓持續(xù)達(dá)不到供水要求，即變頻器頻率大于等于45Hz且持續(xù)兩分鐘，則KM2斷開(kāi)、KM1接通、KM4接通，第一臺(tái)泵公頻運(yùn)行， 變頻啟動(dòng)第二臺(tái)泵。當(dāng)公頻泵連續(xù)運(yùn)行達(dá)24小時(shí)，PLC自動(dòng)停止該泵的運(yùn)行，同時(shí)啟動(dòng)第三臺(tái)泵。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(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KMKM3和KMKM5和KM6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4~20mA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。 PLC的選型可編程控制器（Programmable Logic Controller）是計(jì)算機(jī)技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合而開(kāi)發(fā)的一種適用工業(yè)環(huán)境的新型通用自動(dòng)控制裝置，是作為傳統(tǒng)繼電器的替換產(chǎn)品而出現(xiàn)的。它采用一種可編程的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。PL C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。選擇PLC應(yīng)包括PLC機(jī)型、容量等的選擇。PLC機(jī)型選擇機(jī)型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。（1）結(jié)構(gòu)合理對(duì)于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場(chǎng)合，選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC。（2）功能強(qiáng)弱適當(dāng)對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的PLC。 PLC容量的選擇PLC容量主要是指是PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價(jià)格也較高，若備用的1/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常1/0點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留10%15%點(diǎn)數(shù)備用量。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，PLC選用三菱公司的FX2N系列FX2N48MR001， FX2N48MR具有豐富的可靈活配置的硬件資源：內(nèi)含時(shí)鐘、PID運(yùn)算、高速計(jì)數(shù)器、顯示器、AC/DC/繼電器內(nèi)置數(shù)字I/O（24路開(kāi)關(guān)量輸入，24路繼電器輸出），另配置FX0N4AD模擬量模塊，F(xiàn)X2N485BD通信模塊。SC09通信編程器，采用RS485網(wǎng)絡(luò)通信。該型號(hào)的PLC的實(shí)物圖如下： PLC實(shí)物圖選FX2N48MR001型，技術(shù)參數(shù)如下表所示： 項(xiàng)目規(guī)格備注運(yùn)轉(zhuǎn)控制方式通過(guò)儲(chǔ)存的程序周期運(yùn)轉(zhuǎn)I/O控制方法批次處理方法(當(dāng)執(zhí)行END指令時(shí))I/O指令可以刷新運(yùn)轉(zhuǎn)處理時(shí)間基本指令：應(yīng)用指令：編程語(yǔ)言邏輯梯形圖和指令清單使用步進(jìn)梯形圖能生成SFC類型程序程式容量8000步內(nèi)置使用附加寄存盒可擴(kuò)展到16000步指令數(shù)目基本順序指令：27步進(jìn)梯形指令：2應(yīng)用指令：128最大可用298條應(yīng)用指令I(lǐng)/O配置最大硬體I/O配置點(diǎn)256，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設(shè)定地址輸入25輸出256）輔助繼電器（M線圈）一般500點(diǎn)M0至M499鎖定2572點(diǎn)M500至M3071特殊256點(diǎn)M8000至M8255狀態(tài)繼電器（S線圈） 一般490點(diǎn)S0至S499鎖定400點(diǎn)S500至S899初始10點(diǎn)S0至S9信號(hào)報(bào)警器100點(diǎn)S900至S999定時(shí)器（T）100毫秒范圍：T0至T19910毫秒范圍：T200至T2451毫秒保持型范圍：T246至T249100毫秒范圍：T250至T255計(jì)數(shù)器（C）一般16位范圍：0至32767數(shù)200點(diǎn)C0至C199類型：16位上計(jì)數(shù)器鎖定16位100點(diǎn)（子系統(tǒng)）C100至C199類型：16位上計(jì)數(shù)器 一般32位15點(diǎn)C200至C219類型：16位上/下計(jì)