【正文】 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，2004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。7山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定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： () 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。 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)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。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。 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)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復對水壓的閉環(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。 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?？焖匐娏飨拗茖崿F(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。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y100和XMT1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。綜合以上因素：本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4~20mADC精度等級：。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開)，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。本系統(tǒng)采用西門子公司S7200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。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。 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端口分配中將詳細介紹。只有當SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。水泵工頻運行信號，水泵變頻運行信號，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)KMKM2的電氣互鎖。 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：(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。(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。 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UpAIW0輸出信號1泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL11泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL22泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL32泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL43泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL53泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL6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變頻器頻率復位控制KA變頻器輸入電壓信號UfAQW0，畫出PLC及擴展模塊外圍接線圖，： PLC及擴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個模擬量。 只是簡單的表明PLC及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴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。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。(5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。當故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細介紹。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。實際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達式為： （）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。 PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場經(jīng)驗整定法，本設(shè)計選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對象WO(s)和測量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法[17]。當時， () ()計算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，編程如下：s1=tf(2,[300,1])。step(s)。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實時存儲現(xiàn)場控制點的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。 串行通信接口參數(shù)設(shè)置選中“COM1”后，雙擊右側(cè)工作區(qū)出現(xiàn)的“新建…”圖標，在出現(xiàn)的對話框的“PLC”文件夾中選擇西門子的S7200系列，通信協(xié)議為PPI（），設(shè)置好單擊“下一步”直至“完成”，這樣在右側(cè)會出現(xiàn)剛生成的“新IO設(shè)備”圖標，通信設(shè)置結(jié)束。 定義變量對話框 組態(tài)畫面(1) 建立新畫面單擊工程瀏覽器左側(cè)的“畫面”圖標，雙擊工作區(qū)“新建…”圖標，彈出“新畫面”對話框，輸入名稱點擊確定進入組態(tài)王的開發(fā)系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)界面在本系統(tǒng)中，根據(jù)需要共開發(fā)了5個界面，包括啟動界面(包含系統(tǒng)所有菜單)、系統(tǒng)運行主界面、歷史和實時趨勢曲線、數(shù)據(jù)報表、報警界面。 城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面山東科技大學學士學位論文 結(jié)束語6 結(jié)束語本文針對城市小區(qū)供水的特點，設(shè)計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。本文主要的工作如下：(1) 由PLC、變頻器實現(xiàn)生活用水的恒壓控制。(3) 對上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行了設(shè)計。比如：在硬件設(shè)備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學，以及向老師、同學們請教，我對這些知識有了更深入的理解。在我做畢業(yè)設(shè)計的過程中得到了高老師的悉心指導。在這半年的畢業(yè)設(shè)計的過程中，我還得到了本組同學、本班同學的大力幫助，我們一起學習，一起探討問題、解決問題。 power supply, controller, relay units for input and output.The main difference from other puters is that PLCs are armored for severe condition (dust, moisture, heat, cold, etc) and have the facility for extensive input/output (I/O) arrangements. These connect the PLC to sensors and actuators. PLCs read limit switches, analog process variables