【正文】 士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 機(jī)組以及低壓電器組成。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ，通用性強； 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。 通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種 控制方 案 更適合于本系統(tǒng)。 管網(wǎng) 水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻 循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī) ； 變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 15 求，需要增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可 以選擇 [9]， 本 設(shè)計中采用 前 者 。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖 動變頻 泵 M1 工作， 根據(jù) 壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作在調(diào)速運行狀態(tài)。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵 的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換， 將另一臺工頻 泵 M3投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機(jī)組不過于頻繁的切換呢 ? 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。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機(jī)運行的下限頻率。 若出現(xiàn) sfPP? 時就 進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運行，供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。另外， 實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情 況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。因此我們在選擇 PLC 時，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，支持點對點接口 (PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。 EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可 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。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種 完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù) 功能，有內(nèi)置的RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則， 一是要確保平穩(wěn)運行 ； 二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。 根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定 確定采用 3 臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組 （電機(jī)功率 75KW）。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變 化轉(zhuǎn)變?yōu)?1~5V或 4~20mA的模擬量信號 ，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4~20mA 輸出壓力變送器。 液位變送器選型 考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。接觸器 KM KMKM5 分別控制 M M M3 的工頻運行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3 的變頻運行； FR FR FR3 分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS4 分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU為主電路的熔斷器。當(dāng)電機(jī)工頻運行時，連接至變頻器的 隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須 先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1 和 KM KM3 和 KM KM5山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 25 和 KM6 絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。初始運行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自 耦 變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 26 只提 供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器 KA 的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1 端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關(guān)分別控制三臺水泵電機(jī)在工頻下的運行和停止。 （ 2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號輸 入 變 頻 器圖 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括 4 個數(shù)字量和 1 個模擬山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 30 量。 圖 只是簡單的表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。具體的操作是 ：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID 控制的定時采樣及輸出控制。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 所示。白天、夜間模式的 給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中 設(shè)定的。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計 31 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 硬件連接確定之后 ，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時 ，需啟動第二臺水泵。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個數(shù)字量輸出信號和 1個模擬量輸出信號。 表 輸入輸出點代碼及地址編 號 名 稱 代 碼 地址編號 輸入信號 供水模式信號 (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號 SLHL 變頻器報警信號 SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信1泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL4 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 29 號 3泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 變頻器故障報警指示燈 HL8 白天模式運行指示燈 HL9 報警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 28 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。 輸出 1水泵工頻運行信號， 輸出 1水泵變頻運行信號，當(dāng) 輸出 1 時， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運行指示燈HL1 點亮，同時 KM1 的常閉觸點斷開，實現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖 。只有當(dāng) SB2按下時才會切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運行。 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 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。手動運行時，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺水泵的啟 /停；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運行。本系