【正文】 尤為重要，所以研究設(shè)計該系 統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 。從 20 世紀 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的基于 VVVF 技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用?？傊?，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重 。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯 著 的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7 臺電機 (泵 )的供水 系統(tǒng)。原深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒 壓供 水專用變頻器(~22kw)，無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 ” PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。 20世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。 20 世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 S7系列是傳統(tǒng)意義的 PLC，S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2021 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點如下 [6]： (1) 功能強大 。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行 PID 運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 8 2 系統(tǒng)的理論分析及 控制方案 確定 變頻 恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調(diào)速原理 水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 9 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。 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控制法和轉(zhuǎn)速控制法。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動 能改變流量。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比 ； 水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比 ； 管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。 當用調(diào)速控制時，若采用恒壓 (H0)， 變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2， 工作點從 E 點移到 D 點。系統(tǒng)主要的 任務(wù)是利用 恒 壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒 定 和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸 和監(jiān)控 。 (2) 通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (3) 控制機構(gòu) ： 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水 控制柜中，包括供水控制器 (PLC 系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個部分。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓力上 [10]。 (2) 當用水量增加水壓減小時， 壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變 頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終 水泵的轉(zhuǎn)速 達 到另一個新的穩(wěn)定值。 (4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的 實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 17 工頻 泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 18 時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉 。 所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。 由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為16 點，輸出形式為 AC220V繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點 ，輸入形式為 +24V直流輸入。 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 21 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。快速電流限制實現(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上 ； 采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，噪聲 更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長 ； 下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長 ； 采用低進低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進，性能更可靠 。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)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(shù)字量輸入，當壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進行報警輸出 [13]。本設(shè)計要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標準電信號（ 4~20mA 電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。 本系統(tǒng) 采用 三泵循環(huán)變頻運行方式 ，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(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。 主電路中的低壓 熔 斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實現(xiàn)。 為監(jiān)控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將4~20mA 電流信號送至上位機來顯示。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。 系統(tǒng)控制 電路分析及 其 設(shè)計 系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。圖中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 SB1 按下時由于 KM2 常閉觸點接通電路使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開觸點閉合從而實現(xiàn)自鎖功能，電機 M1 可以穩(wěn)定的運行在工頻下。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時開啟自動控制模式，自動控制 的工作狀況由PLC 程序控制。當 輸出 1 時，水池水位上下限報警指示燈 HL7 點亮；當 輸出 1 時，變頻器故障報警指示燈 HL8 點亮；當 輸出 1 時，白天供水模式指示燈 HL9 點亮； 當 輸出 1 時，報警電鈴 HA 響起；當 輸出 1 時，中間繼電器 KA 的線圈得電，常開觸點 KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點亮。 倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 所示。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān) SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ； 液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故 障報警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。它忽略了以下因素 ： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護措施； (4) 系統(tǒng)的保護措施等。為了判斷變頻器工作頻率 達上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制， 本設(shè)計中使用泵號加 1 的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。主程序的功能最多，如 泵切換信號的生長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 32 成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。 表 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 功 能 器件地址 功 能 VD100 過程變量標準化值 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時間控制 VD108 PID 計算值 故障結(jié)束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) Kc 水泵變頻啟動脈沖 (增泵 ) VD116 采樣時間 Ts 水泵 變頻啟動脈沖 (減泵 ) VD120 積分時間 Ti 倒泵變頻啟動脈沖 VD124 微分時間 Td 復(fù)位當前變頻泵運行脈沖 VD204 變頻運行頻率下限值 當前泵工頻運行啟動脈沖 VD208 變頻運行頻率上限值 新泵變頻啟動脈沖 VD250 PID 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB300 變頻工作泵的泵號 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB301 工頻運行泵的總臺數(shù) 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD310 變頻運行 時間存儲 器 故障信號匯總 T33 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 T35 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 長春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 學(xué)士學(xué)位論文 33 PLC 程序設(shè)計 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7MicroWINV40 編程軟件