【正文】 物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能 已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低，而隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。通過該項目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減 輕工人勞動強度，有效的提高了生產(chǎn)率。 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 I 頁 基于 PLC 變頻器恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點和不足。 論文論述了采用多泵并聯(lián)供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，分析了電機由變頻轉(zhuǎn)工頻運行方式的切換過程及存在的問題。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。 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，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)：有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 20世紀(jì) 70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻 (PVMVVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波 PWM模式效果最佳。矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 流電流 Im Itl(Iml相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流， nl相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流 )，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。 Ir、 F變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交一直一交變頻中的 一種。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為 1，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。這類生產(chǎn)工藝要求的調(diào)速，調(diào)速的指標(biāo)較高，即要求有寬的調(diào)速范圍，小的靜差率，快的動態(tài)響應(yīng)。 其中鼠籠型電動機又占交流電機的 90％以上。當(dāng)今微電子技術(shù)迅速發(fā)展，器件質(zhì)量好，也為能供應(yīng)高性能，高可靠性，高控制精度的變頻器創(chuàng)造了條件。變頻調(diào)速技術(shù)用于泵和風(fēng)機的感應(yīng)電動機，節(jié)能效果顯著，可以達(dá) 到 20060％，并且輸出諧波小，對電網(wǎng)污染小，容易滿足國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。 2)非線形：用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 本課題的主要研究內(nèi)容 本文主要通過對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對供水系統(tǒng)的要求，確定以 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 可靠性高、使用簡單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和 PLC作為主要控制設(shè)備來設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計算機對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。 4)通過計算機和 PLC的通信，實現(xiàn)供水系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時遠(yuǎn) 程監(jiān)控是本論文的一個特色之處。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 主要結(jié)構(gòu) ，它與單相或三相交流電源相連接，產(chǎn)生脈動的直流電壓。 ，將固定的直流電壓變換成可變電壓和頻率的交流電壓。 。 （ 2）電源側(cè)斷路器 QF 用于電源回路的開閉，并且在出現(xiàn)過流或短路 事故時自動切斷電源，以防事故擴(kuò)大。對于電網(wǎng)停電后的復(fù)電，可以防止自 動再投入以保護(hù) 設(shè)備的安全及人身安全。 2ACL 用于改善變頻器輸出電流的波 形，減低電動機的噪聲。 （ 7）電磁接觸器 2KM 和 3KM 用于變頻器和工頻電網(wǎng)之間的切換運行。 制動電阻的計算 在異步電動機因設(shè)定頻率下降而減速時，如果軸轉(zhuǎn)速高于由頻率所決定的同步轉(zhuǎn)速， 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 則異步電動機處于再生發(fā)電運行狀態(tài)。 制動電阻的選擇，可按如下步驟進(jìn)行： （ 1）制動轉(zhuǎn)矩的計算 制動轉(zhuǎn)矩 TB 可由下式算出： (GD2M+GD2L)(n1― n2) TB= TL (N?m) 375ts 式中 GD2M— 電動機的 GD2(N?m178。 出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高 的要求，加之采用變頻調(diào)速器易操作、免維修、控制精度高，并且可以實現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點，設(shè)計人員采用變頻器驅(qū)動的方案逐步取代風(fēng)門、擋板、閥門的控制方案。流量 —— 轉(zhuǎn)速 —— 壓力關(guān)系曲線如圖 所示。 工藝流程簡介 系統(tǒng)投入時，用 3 臺泵供水。如果管網(wǎng)水壓仍低于設(shè)定值，先延時切除泵 2 的變頻運行，將泵 2 轉(zhuǎn)換為工頻運行，同時將泵 3啟動為變頻運行。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到下限值 (本設(shè)計中為零轉(zhuǎn)速 )時， 1 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14 頁 號泵停止運行，若仍不能使管網(wǎng)水壓下降到設(shè)定值，則控制系統(tǒng)將運行在工頻態(tài)的 2 號泵工頻切除，轉(zhuǎn)換為變頻運行。 3 PLC 系統(tǒng)的基本知識及選型 PLC 的定義 可編程控制器 (PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計。 PLC 的特點 隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計算機技術(shù)和通信 技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標(biāo)實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I／ O模塊和各種特殊功能模塊 。在發(fā)達(dá)工業(yè)國家， PLC己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。 PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的 I／ O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。 PLC的各個部件，包括 CPU、電源、 I／ O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。 PLC在水工業(yè)自動化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、 SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。它使 PLC 具有基本的功能，能夠完成 PLC 設(shè)計者規(guī)定的各項工作。 第二部分為用戶指令解釋程序。 PLC 的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少也決定了 PLC 性能的高低。 /輸出單元 PLC 的輸入和輸出信號類型可以是開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量。運行時 CPU 從印象寄存器讀取輸入信息并進(jìn)行處理，將處理結(jié)果放到輸出印象寄存器。 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元以及功能模塊與基本單元相連，使 PLC 的配置更加靈活以滿足 不同控制系統(tǒng)的需求。 編程器的作用是供用戶進(jìn)行編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。智能型的編程器又稱圖形編程器，它可以聯(lián)機編程，也可以脫機編程，具有 LCD 或 CRT 圖形顯示功能，可以直接輸入梯形圖和通過屏幕對話。 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 18 頁 PLC 使用專用的運動控制模塊，對直線運動或圓周運動的位置、速度和加速度進(jìn)行控制，可以實現(xiàn)單軸、雙軸、 3 軸和多軸位置控制，使運動控制與順序控制功能有機的結(jié)合在一起。現(xiàn)代的大中型 PLC 一般都有 PID 閉環(huán)控制功能，這一功能可以用 PID 模塊來實現(xiàn)。 PLC 的通信包括主機與遠(yuǎn)程 I/O 之間的通信、多臺 PLC 之間的通信 、 PLC 與其他智能控制設(shè)備之間的通信。 概括而言， PLC 是 按集中輸入集中輸出，周期性循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作的。 PLC 上電處理完成以后進(jìn)入掃描工作過程。 3． 出錯處理。 PLC 正常運行時，掃描周期的長短與 CPU 的運算速度、與 I/O 點的情況、與用戶應(yīng)用程序的長短及編程情況等有關(guān)。 PLC 的工作過程一般可分為三個主要階段：輸入采樣階段，程序執(zhí)行階段和輸出刷 新階段。 (2) 程序執(zhí)行階段 PLC 按順序進(jìn)行掃描，即從上到下、從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映 像區(qū)和輸出映像區(qū)中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像區(qū)中保存。具體應(yīng)考慮的因素如下所述。 對于以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目，可選用含有 A/D 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和含有 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運算和數(shù)據(jù)傳輸功能的低檔 PLC。 當(dāng)系統(tǒng)的各個控制對象分布在不同地域時，應(yīng)根據(jù)各部分的具體要求來選擇 PLC，以組成一個分布式的控制系統(tǒng)。 環(huán)境 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體，對于需要應(yīng)用在特殊環(huán)境下 PLC，要根據(jù)具體的情況進(jìn)行合理的選擇。 CPU 模塊 CPU 是 PLC 系統(tǒng)的運算控制核心。 ? S7300 的輸入 /輸出模塊外部連線接在插入式的前連接器的端子上，前連接器插在前蓋后面的凹槽內(nèi)。有少量模塊的寬度為 80mm。數(shù)字量輸入模塊有直流輸入方式和交流輸入方式。 ? 數(shù)字量輸入模塊 SM321 有四種型號模塊可供選擇，即直流 16 點輸入、直流 32 點輸入、交流 16 點輸入、交流 8 點輸入模塊。按輸出開關(guān)器件的種類不同，它又可分為晶體管輸出方式、可控硅輸出方式和繼電器觸點輸出方式。模塊的每個輸出點有一個綠色發(fā)光二極管顯示輸出狀態(tài)，輸出邏輯 “1” 時，二極管點亮。在額定輸入電壓下，輸入延遲為 ～ ms。其中最高位為符號位 S，“0” 表示正值， “1” 表示負(fù)值，被測值的 精度可以調(diào)整，取決于模擬量模塊的性能和它的設(shè)定參數(shù)，對于精度小于 15 位的模擬量值，低字節(jié)中冪項低的位不用。 4 系統(tǒng) 控制原理 S7300控制原理 控制原理 基于 S7300 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，是利用 S7300 型的可編程控制 遼寧科技 大學(xué)本科生 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 27 頁 。 以位數(shù)表示的精 度 ( 帶符號位 ) 單 位 模擬值 十進(jìn)制 十 六 進(jìn) 制 高字節(jié) 低字節(jié) 8 9 10 11 12 13 14 15 128 64 32 16 8 4 2 1 80H40H 20H 10H 8H 4H 2H 1H S 0 0 0 0 0 0 0 S 0 0 0 0 0 0 0 S 0 0 0 0 0 0 0 S 0 0 0 0 0 0 0 S 0