【正文】 間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下）。管阻特性曲線和揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)，稱之為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。所以，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)。其實(shí)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(yáng)程特性不變。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時(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，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從b3移到b1，揚(yáng)程特性曲線不變，揚(yáng)程從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)轉(zhuǎn)移到F點(diǎn)，水泵的輸出功率正比于H1Q2。 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(jì)中，根據(jù)上文提及的電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jìn)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。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。 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。由模擬量進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí)，給定頻率與對(duì)應(yīng)的給定信號(hào)X（電壓或電流信號(hào)）之間的關(guān)系曲線,稱做頻率給定線。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional (比例)、Integral (積分)、Derivative (微分)控制方式，即PID控制。 PID控制原理圖PID控制規(guī)律： （）式中：Kc為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，反之越強(qiáng)，引起系統(tǒng)振蕩。經(jīng)驗(yàn)整定法可先設(shè)置一個(gè)比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期Tp，然后根據(jù)被控過程的特點(diǎn)，當(dāng)采用PI控制時(shí)，設(shè)置Ti=（~1）Tp；對(duì)溫度、成分等被控過程，可采用PID控制，設(shè)置Td=（~）Ti。 2）逐漸增大比例增益Kc，直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定邊界達(dá)到等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益Kcr，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tcr。 5) 按求得的參數(shù)值，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定運(yùn)行，并觀察控制效果。 PLC及其擴(kuò)展模塊選型 PLC特點(diǎn)及性能指標(biāo) （1）PLC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。與其他控制方式相比，性價(jià)比較高。它是衡量PLC能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，決定了PLC處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。 (2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng)對(duì)于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，由于現(xiàn)代PLC具有足夠高的速度處理大量的I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來說，PLC的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題，所以對(duì)速度要求不高，一般選用低檔的PLC，如西門子公司的S7200系列機(jī)。 S7200 PLC的各種CPU特性比較CPU型號(hào)外形尺寸/mm數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊數(shù)量CPU221908062 6 4 0CPU222908062 8 6 2CPU224 14 10 7CPU226/CPU226XM1908062 24 16 7 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能（具體I/O分配見下文），考慮到I/O分配留有一定裕量，設(shè)計(jì)選用西門子S7200系列的CPU226型。 (4) 具有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、6個(gè)獨(dú)立的30kHZ的高速計(jì)數(shù)器、兩路獨(dú)立的20kHZ的高速脈沖輸出、PID控制器、1個(gè)RS485通信/編程口、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口PPI通信協(xié)議、多點(diǎn)接口MPI通信協(xié)議和自由通信口，絕對(duì)滿足設(shè)計(jì)需求。為了擴(kuò)展I/O點(diǎn)和執(zhí)行特殊的功能，S7200系列PLC可以連接擴(kuò)展模塊（CPU221除外）。 (1) EM231：4路12位模擬量輸入（AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓：0~10V、0~5V；電流：0~20mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓：32000~+32000；電流0~+32000。 3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250us。針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，EM235模塊可以通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)不同控制功能，變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。其采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動(dòng)機(jī)和變頻器保護(hù)功能，內(nèi)置RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行自定義。（1） PLC部分設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)使用CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴(kuò)展模塊EM235 AIW0 EM235模擬量輸入通道1，接一精密電位器； AQW0 EM235模擬量輸出通道1，接MM440的端口3和4。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)， 表 設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)表參數(shù)表設(shè)置值說明P0031用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)P01001快速調(diào)試P0100功率以KW為單位，頻率為50HZP0304380電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）P0305電動(dòng)機(jī)額定電流（A）P0307電動(dòng)機(jī)額定功率（KW）P031050電動(dòng)機(jī)額定頻率P0311電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min） 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù)參數(shù)號(hào)設(shè)置值說明P00031/2用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)/擴(kuò)展級(jí)P0004命令和數(shù)字I/OP07002命令源選擇“由端子排輸入”P07011數(shù)字輸入端1接通正轉(zhuǎn)，斷開停止P07022數(shù)字輸入端2接通反轉(zhuǎn)，斷開停止P10002頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入”P1080電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低頻率（HZ）P108250電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最高頻率（HZ）P1120斜坡上升時(shí)間（s）P1121斜坡下降時(shí)間（s） 供水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是依靠水泵抽水來實(shí)現(xiàn)的，水泵作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，水泵型號(hào)選擇是否合適將影響系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素?！?。 實(shí)際使用時(shí)，只能按標(biāo)牌所注揚(yáng)程和流量的80%～90%估算，水泵配套動(dòng)力的選擇，可按標(biāo)牌上注明的功率選擇，但為了使水泵啟動(dòng)迅速和使用安全，動(dòng)力機(jī)的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出10%左右為宜。 （6） 100戶的參考流量在12~15m179。下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長。 （1） 額定壓力范圍 滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍及稱為額定壓力范圍。為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍，半導(dǎo)體壓力傳感器尤其明顯。 （4）線性度 在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離稱為線性度。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍[13]。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用JYBK型供水壓力傳感器實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。熔斷器（FU）是電路中的一種簡單的短路保護(hù)裝置。 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。I/O單元是PLC與外部設(shè)備相互聯(lián)系的通道，能輸入/輸出多種形式和驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)PLC的I/O接口與被控設(shè)備之間的電氣隔離、串/并轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換、A/D與D/A轉(zhuǎn)換等功能。 表 恒壓供水控制裝置的I/O分配表序號(hào)輸入說明輸出說明1 手動(dòng)1/自動(dòng)0 一號(hào)變頻2備用 二號(hào)變頻3手動(dòng)輔助泵 三號(hào)變頻4啟動(dòng) 一號(hào)工頻5停止 二號(hào)工頻6 消防1/生活0 三號(hào)工頻7 上液位開關(guān) 輔助泵運(yùn)行8 下液位開關(guān) 變頻器運(yùn)行9AIW0壓力傳感器（模擬量） 上液位報(bào)警10 下液位報(bào)警11 AQW0變頻器頻率設(shè)定（模擬量）BG1BG2 SF6 SF5 SF4 SF3SF2SF1BG1BG2PG3 PG2PG124V DCPG3 PG2PG124V DC I/O口外圍接線圖 I/，（電流信號(hào)）此次供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的外圍接線圖可以保證變頻和工頻兩個(gè)回路不能同時(shí)接通。 第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 恒壓供水系統(tǒng)軟件部分總體分析設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分分析硬件連接確定后，系統(tǒng)控制功能主要通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)主要分析如下所示：(1) 由恒壓要求出發(fā)的工作泵數(shù)量管理為得到恒定水壓，水壓降落時(shí)需升高變頻器的輸出頻率，在一臺(tái)水泵工作無法滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。系統(tǒng)初始化工作放在初始化子程序中完成，這樣可大大節(jié)省掃描時(shí)間。 系統(tǒng)軟件部分總體設(shè)計(jì)此次設(shè)計(jì)恒壓供水控制裝置軟件部分主要包括：（1）PID壓力控制；（2）壓力信號(hào)采集；（3）泵自動(dòng)切換控制；（4）保護(hù)報(bào)警部分此次設(shè)計(jì)的程序主要包括主程序、8個(gè)子程序和一個(gè)中斷程序， PLC程序分配表序號(hào)程序名注解1主程序恒壓供水控制系統(tǒng)主程序2SBR_0子程序初始化PID參數(shù)3SBR_1子程序檔位控制4SBR_2子程序自動(dòng)一號(hào)運(yùn)行規(guī)律5SBR_3子程序自動(dòng)二號(hào)運(yùn)行規(guī)律6SBR_4子程序自動(dòng)三號(hào)運(yùn)行規(guī)律7SBR_5子程序自動(dòng)檔增減泵規(guī)律8SBR_6子程序壓力測(cè)量信號(hào)處理9SBR_7子程序上下液位檢測(cè)10 INT_011INT_1平移式平均濾波 序號(hào)變量名稱含義1自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)志2T37自動(dòng)增泵定時(shí)3T38自動(dòng)減泵定時(shí)4T39規(guī)律切換延時(shí)5VB11規(guī)律控制6VB12泵號(hào)規(guī)律管理7VW498變頻頻率 8VB500PID表（共80字節(jié)） 恒壓供水系統(tǒng)程序流程圖 在系統(tǒng)開始工作時(shí)，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在初始化后緊接著要設(shè)定消防/生活兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。 水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈。在程序中調(diào)試和維護(hù)過程中，用戶可利用這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，S7200具有簡單、方便、靈活的調(diào)用子程序功能。中斷程序以中斷程序號(hào)開始，以無條件返回指令結(jié)束。每個(gè)子程序正在編譯時(shí)，編譯器自動(dòng)在子程序最后加入無條件返回指令RET（不需要用戶寫入無條件返回指令）。用STEP7編程時(shí)，編程人員不能手工輸入RET指令，而是由軟件自動(dòng)加在每個(gè)子程序結(jié)尾。子程序執(zhí)行結(jié)束，通過返回指令自動(dòng)恢復(fù)原來的邏輯堆棧值，調(diào)用程序又重新取得控制權(quán)。中斷源被處理的順序就是中斷優(yōu)先級(jí)。在CPU執(zhí)行中斷程序期間，對(duì)新出現(xiàn)的中斷性質(zhì)和優(yōu)先級(jí)的順序分別進(jìn)行排隊(duì)，形成中斷隊(duì)列。要完成上述中斷請(qǐng)求和中斷相應(yīng)操作，就需要在編輯程序中使用中斷調(diào)用指令[16]。在壓力模擬信號(hào)中，一般采用平均值濾波法和加權(quán)平均值濾波法兩種，適用于供水系統(tǒng)隨機(jī)干擾信號(hào)的濾波。這樣每個(gè)掃描周期只需要采樣一次，但都要取N1個(gè)采樣值（一個(gè)當(dāng)前值，N1個(gè)歷史值）來計(jì)算濾波值。 PID指令格式指令名稱梯形圖STLPID回路指令PIDEN ENOTBLLOOPPID TBL ,LOOP PID指令在系統(tǒng)中的使用 在恒壓供水系統(tǒng)中，PLC采集壓力傳感器信號(hào)后，進(jìn)行壓力設(shè)計(jì)值與檢測(cè)元件反饋值的比較、PID運(yùn)算等調(diào)節(jié)器功能，通過參數(shù)整定后輸出標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)，該信號(hào)再進(jìn)入到變頻器控制模擬信號(hào)輸入端，從而控制變頻器輸出頻率，最終達(dá)到控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。單擊保存按鈕。下面對(duì)程序編制中主要中間變量進(jìn)行說明， 序號(hào)變量名稱含義1VB500PID表（共80個(gè)字節(jié)）2VD500采樣輸入值（供水實(shí)際壓力）3VD504供水設(shè)定值4VD508PID輸出值5VD512增益6VD516采樣周期7VD520積分時(shí)間8VD524微分時(shí)間9SMB34定時(shí)中斷 PID中斷程序主要包括將輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理和對(duì)PID輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行工程量轉(zhuǎn)換兩部分，