【正文】 循環(huán)控制，有的采用 PLC（可編程控制器）及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相關(guān)軟件予以實(shí)現(xiàn)。雖 然 說 單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡 單 可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、 電機(jī)運(yùn)行效率 偏 低，而多泵型產(chǎn)品 因 投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率更 高， 經(jīng) 實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 必將快速 發(fā)展成為 供水的 主導(dǎo)產(chǎn)品。全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章簡略的介紹了供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前國內(nèi)外變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及相關(guān)背景； 第二章主要通過分析系統(tǒng)的控制要求，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析； 第三章對變頻恒壓供水進(jìn)行了原理性分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對所需元件進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電氣原理圖與 I/O 口外圍接線圖； 第五章對系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，介紹了各軟件程序部分設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)研究壓力采集程序與 PID 部分，并列舉典型程序； 第六章主要對 PLC 程序進(jìn)行仿真軟件調(diào)試和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，然后對仿真結(jié) 果進(jìn)行驗(yàn)證分析，并總結(jié)不足之處； 第七章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。 結(jié)合以上要求可知此次設(shè)計(jì)宜采用 PLC 控制變頻恒壓 的 供水系統(tǒng) ， 主要 由 變頻器、可編程控制器、壓力 傳感器 和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有 4 臺水泵 （ 3 臺水泵為常規(guī)供水泵， 1 臺為輔助泵） ，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下 做 變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。四臺水泵中每臺泵的出水管都安裝手動閥，以方便維修和調(diào)節(jié)水量，三臺常規(guī)水泵協(xié)調(diào)工作以滿足實(shí)際供水需要，輔助泵僅在自動狀態(tài)啟動前處于啟動狀態(tài)，在自動狀態(tài)啟動后關(guān)閉；在變頻供水系統(tǒng)中檢測管網(wǎng)壓力的壓力傳感器，通常采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流信號 )；變頻器作為供水系統(tǒng)的核心器件，通過改變電機(jī)的頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng) 功能。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足的情況下，對供水量進(jìn)行定量補(bǔ)充。 (3) 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)通常安裝在供水控制柜中，共包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) ) 、變頻器和電控設(shè)備三部分。變頻器根據(jù)供水控制器送來的控制信號來改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。借助于人機(jī)界面，使用者可以完成更改設(shè)定壓力，修改系統(tǒng)設(shè)定等操作以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者還可以從人機(jī)界面上了 解系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及設(shè)備的工作狀態(tài)。由于本系統(tǒng)在不同的供水領(lǐng)域均可適用，所以為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運(yùn)行，防止因?yàn)殡姍C(jī)過載、變頻器運(yùn)行報(bào)警、電網(wǎng)波動過 大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，然后通過 PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn) 7 行報(bào)警顯示和保護(hù)動作控制，以免造成本可避免的損失 [5]。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動控制，系統(tǒng)可自動實(shí)現(xiàn)對水泵的軟啟動、循環(huán)變頻、停止等操作過程。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時(shí)間接近，防止個別供水泵運(yùn)行時(shí)間過長損耗，而有的泵因長時(shí)間不用而銹死，從而有效的延長了設(shè)備的壽命。由于水泵功率較大，為了避免直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器 8 來啟動水泵 [9]。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級調(diào)速方式，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于可回收轉(zhuǎn) 差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調(diào)速性能好，但是其線路過復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加，由于成本較高而影響了其推廣使用價(jià)值。但僅通過電源 9 頻率調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能的惡化。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下），如圖 所示。管阻特性曲線和揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)，稱之為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 所示點(diǎn) A。所以，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)。其實(shí)質(zhì)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量，因此，管阻隨閥門開度變化而變化，但是其揚(yáng)程特性不變。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 11 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，揚(yáng)程為 H0，當(dāng)供水量從 Q1 減小到 Q2 時(shí)，必須關(guān)小閥門，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從 b3 移到 b1，揚(yáng)程特性曲線不變，揚(yáng)程從 H0 上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)轉(zhuǎn)移到F 點(diǎn)，水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的 變頻 原理 在本次變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)上文提及的電動機(jī)調(diào)速原理可知， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在改變電動機(jī)頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。 變頻器頻率 給定方式 有 3 種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （ 1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。 由模擬量進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí)，給定頻率與對應(yīng)的給定信號 X（電壓或電流信號）之間的關(guān)系曲線 )(Xffx ? ,稱做頻率給定線。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，即 PID 控制。 13 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 PID 控制原理圖 PID 控制規(guī)律： （ ） 式中： Kc 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)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，反之越強(qiáng)，引起系統(tǒng)振蕩。經(jīng)驗(yàn)整定法可先設(shè)置一個比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期 Tp，然后根據(jù)被控過程的特點(diǎn)，當(dāng)采用 PI 控制時(shí)，設(shè)置 Ti=（ ~1） Tp；對溫度、成分等被控過程，可采用 PID 控制，設(shè)置 Td=（ ~）Ti。 2）逐漸增大比例增益 Kc，直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定邊界達(dá)到等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益 Kcr，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 Tcr。 5) 按求得的參數(shù)值，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定運(yùn)行，并觀察控制效果。 PLC 及其擴(kuò)展模塊選型 PLC 特點(diǎn)及性能指標(biāo) （ 1） PLC 的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 功能強(qiáng)。 、重量輕、功耗低。 ，功能更改靈活。 。 。 (2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目， 由于現(xiàn)代 PLC 具有足夠高的速度處理大量的 I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說， PLC 的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題，所以對 速度要求不高，一般選用低檔的 PLC， 如西門子公司的 S7200 系列機(jī)。 表 S7200 PLC 的各種 CPU 特性比較 CPU 型號 外形尺寸 /mm 數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 擴(kuò)展模 塊數(shù)量 CPU221 90? 80? 62 6 4 0 CPU222 90? 80? 62 8 6 2 CPU224 ? 80? 62 14 10 7 CPU226/CPU226XM 190? 80? 62 24 16 7 18 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能（具體 I/O 分配見下文），考慮到 I/O 分配留有一定裕量，設(shè)計(jì)選用西門子 S7200 系列的 CPU226 型。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨(dú)立的 30kHZ 的高速計(jì)數(shù)器、兩路獨(dú)立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點(diǎn) 對點(diǎn)接口 PPI 通信協(xié)議、多點(diǎn)接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設(shè)計(jì)需求。 擴(kuò)展模塊選型 為了擴(kuò)展 I/O 點(diǎn)和執(zhí)行特殊的功能， S7200 系列 PLC 可以連接擴(kuò)展模塊（ CPU221除外）。 (1) EM231： 4 路 12 位模擬量輸入（ AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓： 0~10V、 0~5V、 ? 和 ? 5V；電流： 0~20mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓： 320xx~+320xx；電流 0~+320xx。 19 3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 250us。針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，EM235 模塊可以通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)不同控制功能，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。其采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動機(jī)和變頻器保護(hù)功能，內(nèi)置 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行自定義。 （ 1） PLC 部分設(shè)計(jì) PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 AIW0 EM235 模擬量輸入通道 1，接一精密電位器； 20 AQW0 EM235 模 擬量輸出通道 1，接 MM440 的端口 3 和 4。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)，如表 所示 A+ A M0 V0 MM440 3 9 4 18 U V W M 3~ 21 表 設(shè)置電動機(jī)參數(shù)表 參數(shù)表 設(shè)置值 說明 P003 1 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 P0100 1 快速調(diào)試 P010 0 功率以 KW 為單位，頻率為 50HZ P0304 380 電動機(jī)額定電壓（ V） P0305 電動機(jī)額定電流（ A） P0307 電動機(jī)額定功率（ KW） P0310 50 電動機(jī)額定頻率 P0311 電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 表 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù) 參數(shù)號 設(shè)置值 說明 P0003 1/2 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 /擴(kuò)展級 P0004 命令和數(shù)字 I/O P0700 2 命令源選擇“由端子排輸入” P0701 1 數(shù)字輸入端 1 接通正轉(zhuǎn)，斷開停止 P0702 2 數(shù)字輸入端 2 接通反轉(zhuǎn)，斷開停止 P1000 2 頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入” P1080 電動機(jī)運(yùn)行的最低頻率（ HZ） P1082 50 電動機(jī)運(yùn)行的最高頻率（ HZ） P1120 斜坡上 升時(shí)間（ s） P1121 斜坡下降時(shí)間（ s） 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型原則 供水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是依靠水泵抽水來實(shí)現(xiàn)的，水泵作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 22 因此，水泵型號選擇是否合適將影響系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素。選擇水泵時(shí)應(yīng)使銘牌上的揚(yáng)程最好與所需揚(yáng)程接 近，一般偏差不超過 20％，這樣的情況下，水泵的效率最高，也比較節(jié)能，使用會更經(jīng)濟(jì)。 實(shí)際使用時(shí)，只能按標(biāo)牌所注揚(yáng)程和流量的 80%～ 90%估算，水泵配套動力的選擇，可按標(biāo)牌上注明的功率選擇， 但 為了使水泵啟動迅速和使用安全，動力機(jī)的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出 10%左右為宜 。 （ 6） 同一個供水系統(tǒng)所配用的水泵揚(yáng)程要相同，主泵之間的供水流量最好相同，副泵供水流量與主供水泵的流量之比最好不大于 1/3。/h 左右。 23 供水壓力傳感器的選型 壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器，一般由彈性敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。也就是在最高 溫度 和最低溫度之間，傳感器輸出 的 符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。 由此可知 ，即 便連續(xù) 在額定壓力以上使用也不會損壞。 （ 5） 壓力遲滯 在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近 于 某一壓力時(shí)，傳感器輸出 的 差 值 。 壓力傳感 器的選型 變頻恒壓供水的壓力傳感器的選型有以下兩個步驟： （ 1）按測量介質(zhì)及使用環(huán)境要求選用 傳感器介質(zhì)接觸材料包括陶瓷、 316 不銹鋼、哈氏合金、蒙耐爾合金、鉭等防腐材料，但對于恒壓供水的凈水系統(tǒng)來說， 316 不銹鋼