【正文】 體控制方案設(shè)計。完成硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進行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點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進行調(diào)試和修改。結(jié)合以上要求可知此次設(shè)計宜采用PLC控制變頻恒壓的供水系統(tǒng)，主要由變頻器、可編程控制器、壓力傳感器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有4臺水泵（3臺水泵為常規(guī)供水泵，1臺為輔助泵），采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下做變速運行，其余水泵做恒速運行。 此設(shè)計系統(tǒng)以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以PID為控制算法，和變頻器、水泵、壓力傳感器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)計值偏差變化情況，經(jīng) PLC進行PID運算，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，由PLC控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機投運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水[5]。 PLC 水泵變頻器PID調(diào)節(jié)設(shè)定壓力+ 壓力檢測 1泵2泵3泵輔助泵壓力傳感器 變頻器S7200 PLC 圖 ，整個系統(tǒng)由四臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。四臺水泵中每臺泵的出水管都安裝手動閥，以方便維修和調(diào)節(jié)水量，三臺常規(guī)水泵協(xié)調(diào)工作以滿足實際供水需要，輔助泵僅在自動狀態(tài)啟動前處于啟動狀態(tài)，在自動狀態(tài)啟動后關(guān)閉；在變頻供水系統(tǒng)中檢測管網(wǎng)壓力的壓力傳感器，通常采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號)或壓力變送器(反饋4～20mA電流信號)；變頻器作為供水系統(tǒng)的核心器件，通過改變電機的頻率來實現(xiàn)電機的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能?？梢钥闯鲎冾l調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分構(gòu)成。 (1) 執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)是由水泵組構(gòu)成，它們用于將水供給用戶管網(wǎng)，:調(diào)速泵:是由變頻器控制可以變頻調(diào)速的水泵，根據(jù)用水量的變化情況改變電機的轉(zhuǎn)速，用以維持管網(wǎng)水壓的恒定。恒速泵:水泵只工作在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足的情況下，對供水量進行定量補充。 (2) 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和危險報警信號:1) 水壓信號:它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。2) 報警信號:它反映系統(tǒng)是否正常運行，水庫液位是否超限、變頻器是否有異常。該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)通常安裝在供水控制柜中，共包括供水控制器 (PLC系統(tǒng)) 、變頻器和電控設(shè)備三部分。1）供水控制器:它是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心器件，包括變頻器和電控設(shè)備。供水控制器直接采集系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號，對人機接口和通訊接口所提供的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出控制執(zhí)行機構(gòu)的方案，通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (水泵) 進行規(guī)律控制。2）變頻器:主要作用是實現(xiàn)對水泵進行轉(zhuǎn)速控制。變頻器根據(jù)供水控制器送來的控制信號來改變調(diào)速泵的運行頻率，實現(xiàn)對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。3）電控設(shè)備:它包括一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件。應(yīng)用于在供水控制器的控制下實現(xiàn)對水泵的切換、手動/自動切換等。(4) 人機界面人機界面是人與機器進行信息交互的場所。借助于人機界面，使用者可以完成更改設(shè)定壓力，修改系統(tǒng)設(shè)定等操作以滿足不同工藝的需求，同時使用者還可以從人機界面上了解系統(tǒng)的運行情況以及設(shè)備的工作狀態(tài)。同時通過人機界面報警進行顯示，使用者還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示。(5) 通訊接口通訊接口作為本系統(tǒng)的重要組成部分，借助于該接口，系統(tǒng)能夠和組態(tài)軟件以及其他的工控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以把現(xiàn)代較為先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，類似于可以對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。(6) 報警裝置在一個控制系統(tǒng)中，報警必須是不可或缺的組成部分。由于本系統(tǒng)在不同的供水領(lǐng)域均可適用，所以為實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運行，防止因為電機過載、變頻器運行報警、電網(wǎng)波動過大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對各種報警量進行監(jiān)測，然后通過PLC判斷報警類別，進行報警顯示和保護動作控制，以免造成本可避免的損失[5]。變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:（1) 自動運行閉合自動開關(guān)后，1泵電機有電，變頻器輸出頻率從0Hz開始上升，同時PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮兆詨毫鞲衅鞯男盘?，?jīng)運算后與系統(tǒng)給定壓力值進行比較，把調(diào)節(jié)參數(shù)傳送到變頻器，如果壓力不足，則頻率上升，直到50Hz（理論），1泵由變頻運行切換到工頻，同時2泵變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升，直到滿足供水需要，加泵規(guī)律依此類推；當(dāng)用水量減小即壓力過大，變頻器持續(xù)出現(xiàn)下限頻率，則切除一臺工頻泵，達到使供水壓力恒定的目的。若出現(xiàn)電源瞬時停電的情況，系統(tǒng)立即停止運行。等待電源恢復(fù)后，系統(tǒng)將自動恢復(fù)運行，然后按照自動運行方式啟動1泵變頻運行（與上述規(guī)律相同），直到達到給定水壓值，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動控制，系統(tǒng)可自動實現(xiàn)對水泵的軟啟動、循環(huán)變頻、停止等操作過程。(2) 手動運行當(dāng)壓力傳感器故障或變頻器發(fā)生故障時，為保障用水，三臺常規(guī)泵可以手動控制工頻運行。(3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進入停機狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。(4) 采用 “規(guī)律自動切換” 原則“規(guī)律自動切換”原則指水泵運行連續(xù)在某一種控制規(guī)律下時間達到所設(shè)定時間時自動換泵運行。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運行時間接近，防止個別供水泵運行時間過長損耗，而有的泵因長時間不用而銹死，從而有效的延長了設(shè)備的壽命。(5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 主水管網(wǎng)采集到的壓力信號經(jīng)壓力傳感器與PLC的擴展模塊PID運算傳送給變頻器，并給出直接控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定的信號。當(dāng)正在運行的供水泵全速運行，但仍未達到給定壓力值時，切換變頻泵到工頻運行，通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。 (6) 完善的保護、報警功能 在供電控制回路上對工頻、變頻電源實現(xiàn)電氣與機械互鎖，防止產(chǎn)生短路。由于水泵功率較大，為了避免直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器來啟動水泵[9]。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理分析 電動機的調(diào)速原理交流電動機的同步轉(zhuǎn)速 （）式中同步轉(zhuǎn)速，r/min； 定子頻率，Hz； 電機的磁極對數(shù)。而異步電動機轉(zhuǎn)速 （）式中異步電機轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有[6][7]：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機極對數(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，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速運行時轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化也大，因此僅在特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器中適用。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級調(diào)速方式，它的最大優(yōu)點在于可回收轉(zhuǎn)差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調(diào)速性能好，但是其線路過復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加，由于成本較高而影響了其推廣使用價值。下面對改變電源頻率調(diào)速的方法及特點進行重點分析。由公式可得，轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，三相異步電機的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f成正比。電源頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，就能夠平滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速n。但僅通過電源頻率調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電機運行性能的惡化。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(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兩者之間的關(guān)系曲線。因為在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量的值主要取決于用戶的用水量，因此，揚程特性反映的是揚程H與用水流量Qu間的關(guān)系H=f(Qu)。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚程H與流量Q之間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下）。管阻特性說明了水泵能量被用來克服水泵系統(tǒng)的壓力及水位差、液體在供水管道中流動阻力的變化規(guī)律。改變閥門開度，實際上改變的是在某一揚程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供水能力。因此，管阻特性反映的是揚程與供水流量Qc之間的關(guān)系H=f(Qc)。管阻特性曲線和揚程特性曲線的交點，稱之為供水系統(tǒng)的工作點。只有在這一點，供水系統(tǒng)的供水流量Qc和用戶的用水流量Qu處在平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既符合了管阻特性，也滿足了揚程特性 ，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。 恒壓供水系統(tǒng)基本特征水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。通過異步電動機驅(qū)動供水泵旋轉(zhuǎn)供水，將電機和水泵做成一個整體，通過變頻器改變異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量以實現(xiàn)恒壓供水。所以，異步電動機的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速。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控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法通過調(diào)節(jié)閥門開度以調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速恒定不變。其實質(zhì)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量，因此，管阻隨閥門開度變化而變化，但是其揚程特性不變。在實際用水中，水需求量是實時變化的，如果在一段時間內(nèi)閥門開度保持不變，必然出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速控制法則是通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開度，是通過改變水的動能來改變流量。因而，揚程特性隨水泵電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。它的工作原理是通過用戶用水需求量的改變自動調(diào)整水泵電機轉(zhuǎn)速，以達到管網(wǎng)壓力始終保持恒定的目的，用水量減小時電機減速，用水量增大時電機加速。從流體力學(xué)可得，水泵向管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與出水流量Q和管網(wǎng)的水壓H的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)水壓H與出水流量Q的平方成正比。綜上關(guān)系可得，水泵輸出功率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)及水泵的運行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時，必須關(guān)小閥門，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變，揚程從H0上升到H1，運行工況點從E點轉(zhuǎn)移到F點，水泵的輸出功率正比于H1Q2。當(dāng)使用調(diào)速控制時，如果采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，平衡工作點從E點轉(zhuǎn)移到D點。此情況下水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當(dāng)使用閥門控制流量時，有正比于(H1－H0)Q2的功率被損耗，并伴隨著閥門開度減小，閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線將上移，運行工況點也將隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著[8]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻原理在本次變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)上文提及的電動機調(diào)速原理可知，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在改變電動機頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置，它們促進了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。在工業(yè)自動化方面和節(jié)能方面廣泛使用變頻器進行變頻調(diào)速，其應(yīng)用前景十分廣闊。目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，其主要原因是: （1）變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。 （2）目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。變頻器已在國民經(jīng)濟各部門廣泛使用。 （3）變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果大部分的電機拖動場合均可使用變頻調(diào)速，由于其能夠提供精確的速度控制，因此可方便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性，使變速不依賴于機械部分，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。使用變頻調(diào)速的優(yōu)點如下 (1) 控制電機的啟動電流； (2) 降低電力線路電壓波動； (3) 啟動時需要的功率更低； (4) 可控的加速功能； (6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限； (7) 受控的停止方式； (8) 節(jié)能； (9) 可逆運行控制； (10) 減少機械傳動部件。 有3種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。 （2）外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定信號送給變頻器。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。外接模擬量控制信號時，電壓信號一般有：0~5V、0~10V等，外接電流電流信號一般有：0~20mA或4~20mA。由模擬量進行頻率設(shè)定時，給定頻率與對應(yīng)的給定信號X（電