【正文】 Y5接 KM5控制 M3的工頻運(yùn) 行。頻率檢測(cè)的上 /下限信號(hào)分別通過(guò) FU 和 OL 輸出至 PLC 的 X2 與 X3輸入端作為 PLC 增泵減泵控制信號(hào)。 安裝臥式離心泵的泵站，平面尺寸較大而高度較低 ； 立式軸流 泵的泵站，情況正好相反，泵站的高度較大而平面尺寸較小。大泵的效率比小泵高 ， 而且用大泵時(shí)，工作泵和設(shè)備的費(fèi)用以及泵站的面積?？蓽p小 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 19 綜合上述 ， 對(duì)水泵進(jìn)行選用時(shí)，要根據(jù)供水系統(tǒng)對(duì)流量的大小、揚(yáng)程的高低和實(shí)際需要進(jìn)行選擇。 變頻器可分為 交 直 交 變頻器和 交 交變頻器兩類(lèi)。本文只討論交 直 交變頻器 [2]。在選擇變頻器容量時(shí)，有以下情況需要考慮： (1)變頻器驅(qū)動(dòng)的是 單一電動(dòng)機(jī)，還是驅(qū)動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，多數(shù)情況下也是分別單獨(dú)進(jìn)行軟啟動(dòng)。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選用 FRA540系列變頻器， 根據(jù)以上理論，選用河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 21 三菱 FRA540系列變頻器。 X2接變頻器的 FU接口， X3接變頻器的 OL接口。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾 動(dòng)等引起的偏差。偏差小時(shí)， P動(dòng)作的作用減小。 利用 I動(dòng)作消除偏差作用和用 D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用 了這種方式。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。 (2)軟件型：使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器 (或單片機(jī) )上做 PID控制器 。根據(jù)用水量的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 該傳感器的量程為 0～ ，工作溫度為 5℃ ～ 60 ℃ ，供電電源為 28177。 熱繼電器 (FR)是利用 電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的過(guò)載保護(hù)。工作流程如圖 41 所示： 圖 41 PLC 程序流程圖 系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。 在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果 PLC 接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。按下 SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。 該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用 。 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 ； 反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 。 降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的一臺(tái)水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值 。 系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)， KM1 閉合， 1 泵以變頻方式運(yùn)行。 再次接到下限信號(hào)就關(guān)閉 KM KM0， 吸合 KM1，只剩 1水泵變頻運(yùn)行。系統(tǒng)的每步動(dòng)作都必須有相應(yīng)的操作?？梢远嗯_(tái)電機(jī)于不同的頻率工作，但一臺(tái)電機(jī)只能以一種頻率下工作（如 1 電機(jī)，如果控制它工作的 SB1,SB2 按鈕被同時(shí)按下則發(fā)出警報(bào)且電機(jī)無(wú)法起動(dòng)）。程序 詳細(xì)情況見(jiàn)附錄。 恒壓供水在日常生活中非常重要，基于 PLC和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的生活恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。在與她的討論和請(qǐng)教的 過(guò)程中，我受益非淺，使得在碰到問(wèn)題時(shí)得以一一順利地解決，經(jīng)過(guò)近 2 個(gè)月的努力，最終初步完成了本課題的研究工作。沒(méi)有你們，也就沒(méi)有今天的我。 起動(dòng) 1， 2泵： 接收到變頻器上限信號(hào) ， PLC 通過(guò)這個(gè)上限信號(hào)后將 1水泵由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行， KM1 斷開(kāi) KM0 吸合，同 時(shí) KM3 吸合變頻起動(dòng)第 2水泵。 (2)手動(dòng)運(yùn)行部分 按下手動(dòng)起動(dòng)按鈕 SB10，手動(dòng)起動(dòng)變頻器。 起動(dòng) 1， 2泵： 輸出的下限信號(hào)使 PLC 關(guān)閉 KM KM2，開(kāi)啟 KM3， 2水泵變頻起動(dòng)。如果按鈕 SB7 沒(méi)按，則使用自動(dòng)運(yùn)行模式。 四年來(lái)我一直在一種非常融洽、和諧、上進(jìn)的氣氛中學(xué)習(xí)，不斷取得進(jìn)步，得到了眾多人的幫助。本文的研究工作是在張素妍 老師 悉心指導(dǎo)下的結(jié)果。對(duì)整個(gè)供水過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，管理人員可根據(jù)每個(gè)季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設(shè)定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達(dá)到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制。 恒壓供水系統(tǒng)以 PLC和變頻器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助于 PLC強(qiáng)大而靈活的控制功能和內(nèi)置 PID的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制。根據(jù)控制要求及上述所列出的自動(dòng)控制過(guò)程表和功能圖，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出控制程序。 圖 44 自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖 按下按鈕 SB9 之后，啟動(dòng)了變頻器，系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)運(yùn)行模式。在同是河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 31 控制 M1 電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器 KM KM0 線圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖。 如果再次接收到變頻器上限信號(hào)，則 KM3 斷開(kāi) KM2 吸合，第 2水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行， 3水泵變頻起動(dòng)。 編程及介紹 總 程序的順序功能圖 圖 42 總程序的順序功能圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 30 自動(dòng)運(yùn)行順序功能圖 按下 SB8 按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行模式，順序功能圖如 43 所示。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行 。 升壓控制： 系統(tǒng)工作時(shí)，每臺(tái)水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài) 。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，可以手動(dòng)按下 SBn（ n=2,4,6） 按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行。沒(méi)接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài) [11]。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。是利用電流超過(guò)允許值產(chǎn)生的大量熱量使串接于主電路中的熔體熔斷而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過(guò)載。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 26 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 圖 38 系統(tǒng)主電路接線 根據(jù)供水的不同需求，水泵會(huì)工作在兩種模式：即工作于工頻或在變頻電下運(yùn)行。 壓力傳感器使用 CYYZ1001 型絕對(duì)壓力傳感器。 本系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中 。它比較適用于流量控制 、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類(lèi)系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 [12,13]。在該場(chǎng)合，為使 P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動(dòng)作控制。 圖 35 變頻器的接線圖 PID 調(diào)節(jié)器 僅用 P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。應(yīng)用三菱 FRA540系列變頻器內(nèi)置 PID功能的 PLC控制恒壓供水系統(tǒng)，效率高，損 耗小，調(diào)速供水節(jié)能效果突出，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，體現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取代了水塔、水箱、氣壓罐等，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，成為供水網(wǎng)的換代產(chǎn)品。 總的來(lái)說(shuō)，變頻器的選用應(yīng)該滿足以下原則：變頻器的容量應(yīng)大于負(fù)載所需的輸出；變頻器的電流大于電 機(jī)的電流。 (3)驅(qū)動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，是同時(shí)啟動(dòng)，還是分別啟動(dòng)。 變頻器的型號(hào)很多，選擇合適的變頻器對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有很大的幫助。交 交變頻器將電網(wǎng)的交流電直接變?yōu)殡妷汉皖l率都可調(diào)的交流電。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。使用多臺(tái)水泵供水可防止一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，停止供水使得系統(tǒng)癱瘓。 選用多臺(tái)水泵時(shí)，水泵的型號(hào)最好相同，這可便于安裝和維修養(yǎng)護(hù)管理。 水泵和電 動(dòng)機(jī)是供水系統(tǒng)的重要組成部分，水泵選擇恰當(dāng)與否和動(dòng)力費(fèi)用有很大的關(guān)系，故須加以重視。 為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖。系統(tǒng)所需的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)量共為 24 個(gè)點(diǎn)。由于目前 I/O 點(diǎn)數(shù)較多的 PLC 價(jià)格也較高，若備用的 I/O 點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。選用 PLC 時(shí)必須從其技術(shù)指標(biāo)、硬件配置等方面綜合考慮。三菱的 FX2N系列 PLC適用于各行各業(yè)、各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。 (6)編程器與外圍設(shè)備的選擇。用戶程序所需存儲(chǔ)器容量可以預(yù)先估算。為此，需要選取掃描速度高的 PLC，像 FX2N 型 PLC 能處理速度達(dá)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 15 。 (4)估算系統(tǒng)對(duì) PLC 響應(yīng)時(shí)間的要求。準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總需要量是PLC 選型的基礎(chǔ)。 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示： 電源輸入單元外設(shè)接口輸出單元擴(kuò)展接口運(yùn)算器控制器系統(tǒng)程 （ ROM ）用戶程序 ( RA M )微處理器 ( CP U )存儲(chǔ)器主機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備編程器磁帶機(jī)打印機(jī)EP ROM 寫(xiě)字機(jī)圖形監(jiān)控系統(tǒng)外圍設(shè)備PLC 或上位計(jì)算機(jī)擴(kuò)展單元 圖 31 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖 在選擇 PLC 的型號(hào)時(shí)一般從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮 ： (1)功能要適當(dāng)。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。 PLC選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 13 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 選型及接線 PLC 選型 PLC 即 可編程序控制器， 是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專(zhuān)為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí) /計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于 0Hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在 20Hz左右。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0Hz。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)， 只能在 50Hz時(shí)進(jìn)行。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己 運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。如果還沒(méi)到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運(yùn)行，控制 3泵投入變頻運(yùn)行。開(kāi)始時(shí)， 1泵電機(jī)在 PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC， PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第 2臺(tái)泵 (或第 3臺(tái)泵 )。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 10 變頻器水泵電機(jī)壓力傳感器PLC 用戶出口水壓檢測(cè)點(diǎn) 圖 23 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 流程 圖 合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止因水泵過(guò)載、變頻器異常、電網(wǎng)出現(xiàn)大波動(dòng)、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng) PLC收集判斷 ，進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 ① 水壓信號(hào) :反映了用戶管網(wǎng)的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號(hào)。變頻器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。 (1)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括 PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用 PLC 控制系統(tǒng) 使變頻器循環(huán)控制 3 臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng) 水 壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)對(duì)運(yùn)行 過(guò)程中的 數(shù)據(jù) 信號(hào) 進(jìn)行傳輸 ，處理。由于 PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便， 便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的。 當(dāng)用閥門(mén)控制流量時(shí)， 無(wú)論用水量多大，電機(jī)都一樣運(yùn)行，尤其用水量少時(shí)，效率很低， 有 很多 功率被浪費(fèi)掉 。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。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。 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論 ,交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： )1(60 spfn ?? (21) 其 中： f 為定子的電源 或 穩(wěn)壓器頻率 ； p 為極對(duì) 數(shù)； n 為轉(zhuǎn)速 ； s 為轉(zhuǎn)差率。 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。考慮到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平 衡關(guān)系有關(guān) ： 供水能力＞用水需求，則壓力上升； 供水能力＜用水需求，則壓力下降； 供水能力＝用水需求，則壓力不變。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供