【正文】 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)。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。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 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。 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。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。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。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) 。 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 2 個(gè)貯水池， 2 臺(tái)水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 2 臺(tái)水泵中有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行， 另一臺(tái) 水泵做恒速運(yùn)行。 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。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。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)、 5 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。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。 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) 。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 。 (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。 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有 ： 恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力 耦 合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點(diǎn)如下 [1]： (1) 恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低 ，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。通過(guò)工控機(jī)與 PLC 的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)等構(gòu)成。 本系統(tǒng)包含 兩 臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。 關(guān)鍵詞 ：變頻調(diào)速，恒壓供水， PLC，組態(tài)軟件 1 目錄 1 緒論 .................................................................................................................3 課題的提出 .............................................................................................3 PLC 概述 ..................................................................................................4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 .........................................................................6 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 .........................................................7 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 .............................................................7 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器 設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。 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。 4 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)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。 ” 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。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(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。 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。 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。 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 。 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。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 7 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 ： 60 (1 )fnsp?? () 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。 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。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 8 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)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(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)向用戶的供水能力。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 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。 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。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。 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。 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)。 (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)。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 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。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。 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。由于電信號(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。 (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。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。 若出現(xiàn) sfPP? 時(shí)就 進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下 就超過(guò)了設(shè)定壓力。另外， 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰，這兩種情 況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的 時(shí)間內(nèi)滿足。因此我們?cè)谶x擇 PLC 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、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 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]。 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。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)兩 臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。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。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。本系統(tǒng)采用 西門(mén)子公司S7200 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。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB4 控制 兩 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 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。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。 輸出 1水泵工頻運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 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) KM KM2 的電氣互鎖 。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高 恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。 (4) 兩 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。AC。~ 分別輸出 兩 臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號(hào)； 輸出水位超限報(bào)警信號(hào)； 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)； 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)； 輸出報(bào)警電鈴信號(hào)； 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)； AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò) 3h，因此每次需啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量 程的 90%， 夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。梯形圖 (LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種