【正文】 LC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器、和水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有 4臺泵，大泵電動機(jī)功率均為 220KW,小泵功率均為 160KW。 4 第二章 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(jī)的調(diào)速原理 水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 60 (1 )fnsp?? (21) 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動機(jī)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 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、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(jī)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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 控制方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(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(qiáng)；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)。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 21 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報(bào) 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 21變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出 ，系統(tǒng)可分為 ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為 ： (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) ： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由 一臺 變頻泵和 兩臺工頻 泵構(gòu)成，變頻泵是 由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定 ；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時(shí)） 的情況下 投入工作 。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 的核心。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損 失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 22變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水 9 壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其 轉(zhuǎn)換為 4— 20mA 的電信號 ，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù) 。 反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換， 將另兩 臺 工頻 泵 M M4 根據(jù)先啟先停原則依次關(guān)掉 。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。 所以選擇 50HZ 和20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。 如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī) 組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中， 實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 實(shí)際的機(jī)組切換 判別條件如下 ： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 (22) 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 (23) 式中： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 11 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理， 系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 31 所示 ： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報(bào) 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 31 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機(jī)組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì) 。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(jì)算機(jī)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(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高 性能、產(chǎn)品系列化。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型 13 機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面 單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易 。 1. 特點(diǎn) (1)功能強(qiáng)，有 PID 參數(shù)自整定、配方、數(shù)據(jù)歸檔等功能 (2)先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu) (3)靈活方便的尋址方法 (4)功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件 (5)簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ? (6)強(qiáng)大的通信功能 (7)品種豐富的配套人機(jī)界面 (8)有競爭 力的價(jià)格 (9)完善的網(wǎng)上技術(shù)支持 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。 ORMON 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。輸入輸出信號接入端口時(shí)能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時(shí)能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。另外選擇 歐姆龍 的變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與 歐姆龍 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。 。因此本設(shè)計(jì)中選擇電 機(jī)功率為 75KW的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL系列水泵 3臺。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA電流信號，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如 圖 32 所示 ： 三 臺電機(jī)分別為 MM M3，它們分別帶動水泵 3。 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、V、 W 通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。 PLC 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制 17 三臺水泵的投入運(yùn)行；能在三臺 水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換； 三臺水泵在啟動時(shí)要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 圖 33 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。只有當(dāng) 按下時(shí)才會切斷電路， 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。 PLC 的 I/O端口分配及外圍接線圖 序號 輸入 輸出 地址 標(biāo)簽 定義 地址 標(biāo)簽 定義 1 手動模式 1泵機(jī)啟動 2 自動模式 2泵機(jī)啟動 3 自動啟動按鈕 3泵機(jī)啟動 18 4 自動停止按鈕 5 1泵機(jī)啟動按鈕 6 1泵機(jī)停止按鈕 7 2泵機(jī)啟動按鈕 8 2泵機(jī)停止按鈕 9 3泵機(jī)啟動按鈕 10 3泵機(jī)停止按鈕 11 表 32 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 3 個(gè)數(shù)字量輸出信號和 3 個(gè)模擬量輸出信號。 19 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)，需啟動第二臺水泵。 (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(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)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。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。 系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)只有一臺變頻泵長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，對連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷，超過 3h 則自動倒泵變頻運(yùn)行。由于各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進(jìn)行說明。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會一直點(diǎn)亮。其中圖 42 是以 2泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖 43 是以 2泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。 25 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實(shí) 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分 圖 47 PID控制原理框圖 PID 控制規(guī)律為 ： 1 ( )( ) ( ) ( )pdid e ty t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ 42） 式中： Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn) PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。 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(jì)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(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)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