【正文】 組切換判別 情況 如下 ： 加泵條件： UPff ? 2dsf PPP ??? 且延時判別成立 () 減泵條件： LOWff ? 2dSf PPP ??? 且延時判別成立 () 式中： UPf ：上限頻率 LOWf ：下限頻率 sP ：設定壓力 fP ：反饋壓力 基于 PLC 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計 第 12 頁 共 63 頁 3 系統(tǒng)的硬件設計 供水設備的選擇原則 在 設計本 系統(tǒng)時， 第一步是 選擇水泵和電機，選 擇 的 依據是供水規(guī)模。 各類 住宅類型的用水標準， 依照 《城市居民生活用水標準》 GB/T 5033120xx，節(jié)錄如下表。 表 32 供水規(guī)模換算表 戶數 用水標準（ 3m /人日） （ 3m /h） ( 3m /h) ( 3m /h) ( 3m /h) 450 500 600 700 800 1000 華北科技學院畢業(yè)設計 第 13 頁 共 63 頁 3. 根據供水量和高度確定水泵型號和臺數 ,并對電動機進行選型 ,見下表。為與個人計算機（ PC） 進行辨別 ， 而今依然采取 可編程邏輯控制器這個老 叫法 。 ” 二、 PLC 的工作原理 當 PLC 正常啟動運 行 ， 該控制流程大致 分為三個 部分 ，輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個 部分 。 完成 輸入采樣后，轉入 到 用戶程序輸出刷新和執(zhí)行 過程 。掃描梯形圖 的過程 是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構成的 連接線路 ， 按照 先左后右、先上后下的 即定順序 對由觸點構成的 整個線 路 進行 邏輯運算， 而 后 依 據邏輯運算 得出 的結 論 ， 重新調節(jié) 邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 中 相對 應位 置 的 運行 狀態(tài) ； 確定是否 應該完成對 該梯形圖所 規(guī)定 的特殊 性能 指令。 (2)硬件配套 比較齊全 ， 性能比較齊全。 四、 PLC 的應用和發(fā)展 世界上公認的 首 臺 PLC 是美國數字設備公司 所 研發(fā) 的 。此時的 可編程控制器 是 微機技術 與 繼電器常規(guī)控制 理論相總結 的 結晶 。 那個時代 可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。從 發(fā)展 規(guī)模上來 講 ，這個 階段研發(fā) 了 各種功能 大型機和超小型機；從控制能力上來 講 ， 產 生了 形形色色 的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制 情形 ；從產品的配套能力 上講 ， 開發(fā) 了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套 變得十分簡單 。 S7200 擁有共 5 種 不同的 CPU 模塊，可 進行 擴展 至最多 7個擴展模塊，擴展到 248 點數字量或 38 路模擬量，最多有 超過 30KB 的程序存儲空間和數據存儲空間； (2) 先進的程序結構，強 大的 功能編程軟件； (3) 相對較為 靈活 方便的尋址方法； (4) 強大的通信功能和品種 齊全 的配套人機界面； (5) 比較 有競爭力的 市場 價格；； (6) 完善的 互聯(lián)網 技術支持等。 S7200 型 PLC的結構 相對 緊湊， 成本十分 低廉，具 備 較高的性價比， 能夠普遍應用 于一些小型控制系統(tǒng)。 EM235 模塊 能夠 針對各種 標準 的 輸入信號， 利用 DIP 開關進行 相應的 設 定 。 二、變頻器的工作原理 變頻器的工作原理 從 主電路和控制電路兩 大 方面來 闡 明。 （ 1） 整流器 最近 廣泛 使用的是二極管的變流器，它 可以將 工頻 性質的 電源變換為 直流 性質 電源 。裝置容量 相對較 小時， 假使 電源和主電路 之間 構成 的 器件有余量， 能夠 省去電感 而 采用 相對較為容易 的平波回路。 （ 1）運 算電路： 對 外部 電路各種 速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號開始進行 比較運算， 從而 決定逆變器的輸出電壓 和輸出 頻率。 （ 4）速度檢測電路 ： 用安 裝在異步電機軸機上的速度檢測器的信號 作 速度信號，送 至 運算回路， 依 據指令和運算可 讓 電動機 依據 指令 進行工作 。為了 確保 生產的可靠性 這個關鍵前提 ，各 類不同的 生產機械在設計配用動力驅動時， 一般 都 設有一定的富余量。 電動機使用變頻器的 目的 就是為了降低啟動電流并調速。逆變?yōu)轭l率可調、電壓可調的逆變器我們 將它 稱 之 為變頻器。 通常 變頻電源的價格是變頻器 的 15－ 20 倍。一臺 匹的空調自身耗電算下來也有 2030W， 相當于一盞長明燈 . 工頻下運行 的 變頻器具有節(jié) 能 功能是事實。 假使 不加前提條件的 盲目探討 變頻器工頻運行 的 節(jié)能 性 ，就是夸大 變頻器的作用 或 者 商業(yè)炒作。 由于變頻器內部濾波電容的 功能，從而也 增加了電網的有功功率。 從理論上 分析 ，變頻器可以用在所有 帶有 電機的機械 生產裝置 中，啟動電動機時電流會 高出額定值 56 倍，不 僅 會消耗較多的電量且影響電機的使用壽命 .系基于 PLC 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計 第 20 頁 共 63 頁 統(tǒng)在 進行 設計時 都會在 電機選型上留有一定的余量，電機的 轉速通常 是 保持 不變的 ，但在 具體 使用過程中，有時要以較低或者較高的速度運行，因此進行變頻改造是非常有必要的。 （ 2） 高容量電容： 將 轉換后的電能 存儲起來 。變頻器的選擇必須 依 據水泵電機的功率和電流進行 適當 選擇。 因為 本設計中 PLC 選 用的型號是 西門子 S7200， 為了方便于 PLC 與 變頻器之間的通信，變頻器選擇西門子的 MicroMaster440。 MicroMaster440 變頻器的適用于要求高、功率大的 情形 ，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機的輸入信號。 壓力變送器 依據檢測 范圍一般可分成壓力變送器 、 微差壓變送器和負壓變送器三類 。 由此 推 出一個壓力和電壓或電流的 線性 關系式 。壓力表測量 的 范圍 0~1Mpa，精度 ；數顯儀輸出一路 4~20mA電流信號，送 至 與 CPU226相連的 模擬量模塊 EM235， 當做 PID 調節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超 限信 號 。 三、液位變送器的選型 。 液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用國外 領先 的隔基于 PLC 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計 第 22 頁 共 63 頁 離型擴散硅敏感元件的壓阻效應，將靜壓 信號 轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉 換 成標準電信號 (一般為 4～ 20mA)。在 工作工程 中， 若 壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障，系統(tǒng) 則 有可能開啟所有的水泵， 而此時的用水量又達不到，這就使水管中的 壓力升高 ，為了 避免 爆管和超高水壓損壞 居民 的用水設備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個數字 信號 輸入， 若 壓力超 過 上限， 則會 關閉所有水泵并進行報警輸出。 該 原理大 體 是：將水壓這 種壓力的力學信號 轉換為 電 子信號 （ 420mA）， 通常 壓力和電壓或電流大小成線性關系，一般是正比關系 。 華北科技學院畢業(yè)設計 第 21 頁 共 63 頁 壓力變送器的選型 一、壓力變送器定義和分類 壓力變送器 一般由 測量電路 、過程連接件和測 壓 元件 傳感器三 模塊 組成。它采用模塊化結構，組態(tài) 十分 靈活，有完善的變頻器和電動機保護 系統(tǒng) ，內置的 RS485/232C 接口 和 PI閉環(huán)控制器 能夠依據 用戶的特殊需要對 I/O 端子 完成許多功能 自定義。 依據 控制功能 區(qū)別 ，具有轉矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器 、 普通功能型 U/f 控制變頻器、以及矢量控制高功能型變頻器是通用變頻器 3 個基本組成部分。 （ 4） 控制器： 按設定 好 的程序 開始運行 ，控制輸出方波的幅度與脈寬使 之 疊加為 相近 正弦波的交流電， 進而帶動 交流電動機。 四、 變頻器的基本組成部分 整流單元、高容量電容、 逆變器 和控制器 4 個 部分 組成了變頻器 。 然 而 采 用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動 功能 將使啟動電流從零 增大 ，最大 電流 值也 低于 額定電流， 從而 減輕了對電網的沖擊和 對供電容量的 苛刻 要求， 大大 延長設備和閥門的使用 年限 。 注意使用場合和使用條件才 能 正確 運 用 ， 反之 就是盲 目跟 從、 不注重實際 。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個 基本 條件。 變頻不是 處 處可以省電， 且 有 許多 場合用變頻并不一定能省電。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中 ，對 波形要求 相對 較高的可變頻率逆變器，要對波形 進行相應的處理工作。把直流電（ DC）變換為交流電（ AC）的裝置，術語 稱之為 為“inverter”(逆變器 )。風機、泵類等設備 過去 的調速方法是通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來 控制 給風量和給水量，輸入功率 一般較 大， 并 且大量能源消耗在 多余的 擋板、閥門截流 的過程中。 三、 變頻器的節(jié)能 變頻節(jié)能 、功率因數補償節(jié)能和軟啟動節(jié)能這三個方面 的節(jié)能構成了 變頻器節(jié)能 的內容。 （ 3）驅動電路： 能夠 驅動主電路器件。 利用基于 PLC 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)設計 第 18 頁 共 63 頁 電壓型 PWM 逆變器為 例表示出 關斷 時間 及 電壓波形。 （ 2） 平波回路 整流器整流后的 直流電壓 系統(tǒng) 中含有 的 脈動電壓 電源頻率的 6 倍，此外逆變器產生的 脈動電流 也使 電壓系統(tǒng)中的 直流電壓 發(fā)生改變 。將電流源的直流變換為交流的變頻器 屬于 電流型， 電感是該 直流回路濾波。整流（交流變直流）、逆變（直流變交流）、 濾波、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元等 不同種類功能的單元 組成 了 變頻器。 依據 控制系統(tǒng) 具體 所需端子數 量 ，考慮 PLC 端子數 量需要有 一定的預留量， 所以 主模塊 是 CPU226。 所以當 我們在 挑選 PLC時， 需充分 考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令 種類 豐富程度、內存空間 大小 、通訊接 口及協(xié)議 是否簡單方便 、擴展模塊的能力等 諸 多方面 條件 。 五、西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司 擁有 品種 十分充裕 的 PLC 產品。這 意味 著可編程控制器已步入成熟 發(fā)展的新 階段。更高的運算速度、 更 小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾 能力 、模擬量運算、 PID 功能及 較高 的性價比奠定了它在 當今控制領域 中的 重要 地位。 20 世紀 70 年代 初 產生了 微處理器 ， 人們迅速 將 該器件 引入 到 PLC，使 PLC 增加了 許多新興 功能 如運算、數據傳送及處理等 ，真正 實現(xiàn) 了具 備 計算機特征的 工業(yè)自動控制系統(tǒng) 。 (4)系 統(tǒng) 建造的周期大為縮短 ，維護 相對簡單 ，改造 十分容易。在此 過程 內 ， CPU根據 I/O 映象內 對應 的 信息 刷新 全部 輸出鎖存電路，再 利用 輸出電路驅動 與之相對應的外 部 設 備 。 假使 輸入 信號 是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度 必須得超過 一個掃描周期 ， 這樣 才能 確保 在任何情 形 下，該輸入 信息都能 被 準確 讀入。整個運行 過程中 PLC 的 CPU 都在以相應 的掃描速度 循環(huán) 執(zhí)行 以上 三個 操作。它 采取 的存儲器 能夠 編制程序， 該存儲器可在其內部存儲單元進行邏輯運算 、計時、算術運算等 功能 的指令， 且可以利用設計 數字式或模擬式的輸入 、 輸出，完成 控制 不同種類 的機械或生產過程。 系統(tǒng)主要設備的選型 依據 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 31 所示： 由以下電氣總框圖 能夠總結 出 ,該系統(tǒng)的硬件設備 大體上 包括以下 5 大 部分： (1) PLC 及其擴展模塊； (2) 變頻器； (3) 水泵機組； (4) 壓力變送器； (5) 液位變送器。 不同住宅類型的用水標準，根據《城市居民生活用水標準》 GB/T 5033120xx，節(jié)錄如表 32。 具體 選擇依據使用表格 如 下 表 。 此外 ，具體 供水 水壓 超調的 現(xiàn)象 以及 機組 的干擾使實際壓力的測量值 出現(xiàn)峰值 ，這兩種 條件 都可能在短時間內滿足機組切換的判別條件。 如果滿足 fs PP? 時就 開始相應的 機組切換， 也有 可能 因為 新增加了一臺機 組 參與工作 ，供水壓力 瞬間 就超 出 了設定壓力。這個頻率在 具體情形 中就是電機 運行 的下限頻率。 水泵切換條件分析 在上述 分析 的 供水系統(tǒng)運行過程 中 ，討論到 當變頻泵己 經 運行在上限頻率， 且用戶管網的實際 水壓 仍 低于 設定 水壓 ， 這 時 就必須 增加水泵 數量 來 達到 供水 需求 ， 完成 恒壓的目 標，若 變頻泵和工頻泵都在 正常工作 且變頻泵己 經 運行在下限頻率，此時 用戶 管網的實際 水壓 仍 超過 設定 水 壓 ，此時 必須通過 減少工頻泵來減少供水流量， 達到 恒