【正文】 循環(huán)控制，有的采用 PLC（可編程控制器）及相應的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機及相關軟件予以實現(xiàn)。雖 然 說 單泵產品系統(tǒng)設計簡 單 可靠，但由于單泵電機深度調速造成水泵、 電機運行效率 偏 低，而多泵型產品 因 投資更為節(jié)省，運行效率更 高， 經 實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計， 必將快速 發(fā)展成為 供水的 主導產品。全文共分為七章，各章的主要內容如下： 第一章簡略的介紹了供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前國內外變頻調速恒 壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及相關背景； 第二章主要通過分析系統(tǒng)的控制要求，確定了系統(tǒng)的整體設計方案，并對系統(tǒng)結構進行分析； 第三章對變頻恒壓供水進行了原理性分析，為系統(tǒng)設計提供理論基礎； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進行設計，并對所需元件進行選型，設計出系統(tǒng)的電氣原理圖與 I/O 口外圍接線圖； 第五章對系統(tǒng)軟件部分進行總體設計，介紹了各軟件程序部分設計過程，重點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 程序進行仿真軟件調試和實驗室調試，然后對仿真結 果進行驗證分析，并總結不足之處； 第七章總結了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 結合以上要求可知此次設計宜采用 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)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，本設計中有 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 變速運行，其余水泵做恒速運行。四臺水泵中每臺泵的出水管都安裝手動閥，以方便維修和調節(jié)水量，三臺常規(guī)水泵協(xié)調工作以滿足實際供水需要，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)啟動后關閉；在變頻供水系統(tǒng)中檢測管網壓力的壓力傳感器，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，通過改變電機的頻率來實現(xiàn)電機的無級調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項 功能。它們用于在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足的情況下，對供水量進行定量補充。 (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速泵的運行頻率，實現(xiàn)對調速泵的轉速控制。借助于人機界面，使用者可以完成更改設定壓力，修改系統(tǒng)設定等操作以滿足不同工藝的需求，同時使用者還可以從人機界面上了 解系統(tǒng)的運行情況以及設備的工作狀態(tài)。由于本系統(tǒng)在不同的供水領域均可適用，所以為實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運行，防止因為電機過載、變頻器運行報警、電網波動過 大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對各種報警量進行監(jiān)測，然后通過 PLC判斷報警類別，進 7 行報警顯示和保護動作控制，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)的每臺泵運行時間接近，防止個別供水泵運行時間過長損耗，而有的泵因長時間不用而銹死，從而有效的延長了設備的壽命。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]。變轉差率調速中為確保其較大的調速范圍在一般情況下采用串級調速方式，它的最大優(yōu)點在于可回收轉 差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調速性能好，但是其線路過復雜，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值。但僅通過電源 9 頻率調節(jié)，最終導致電機運行性能的惡化。管阻特性則是以水泵的轉速恒定為前提的，表示揚程 H 與流量 Q 之間的關系曲線（閥門在某一開度下），如圖 所示。管阻特性曲線和揚程特性曲線的交點，稱之為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 所示點 A。所以，異步電動機的變頻調速是供水系統(tǒng)變頻的實質。其實質為經調節(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，但是其揚程特性不變。變頻調速的供水方式為轉速控制。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 11 圖 管網及水泵的運行特性曲線 當使用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在 E 點，流量為 Q1，揚程為 H0，當供水量從 Q1 減小到 Q2 時，必須關小閥門，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從 b3 移到 b1，揚程特性曲線不變，揚程從 H0 上升到 H1，運行工況點從 E 點轉移到F 點，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)設計中，根據(jù)上文提及的電動機調速原理可知， 隨著電力電子技術的發(fā)展，在改變電動機頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調速裝置，它們促進了變頻調速技術的廣泛應用，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。變頻器已在國民經濟各部門廣泛使用。 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定： （ 1）面板設定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。 由模擬量進行頻率設定時，給定頻率與對應的給定信號 X（電壓或電流信號）之間的關系曲線 )(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y ( t )－實 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉 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 為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調量增大，反之越強，引起系統(tǒng)振蕩。經驗整定法可先設置一個比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期 Tp，然后根據(jù)被控過程的特點，當采用 PI 控制時，設置 Ti=（ ~1） Tp；對溫度、成分等被控過程，可采用 PID 控制，設置 Td=（ ~）Ti。 2）逐漸增大比例增益 Kc，直到控制系統(tǒng)達到穩(wěn)定邊界達到等幅振蕩，此時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，在計算機控制系統(tǒng)中設定運行，并觀察控制效果。 PLC 及其擴展模塊選型 PLC 特點及性能指標 （ 1） PLC 的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。 功能強。 、重量輕、功耗低。 ，功能更改靈活。 。 。 (2) 功能強弱適當 對于開關量控制的工程項目， 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)應用場合來說， PLC 的響應時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。 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，設計選用西門子 S7200 系列的 CPU226 型。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨立的 30kHZ 的高速計數(shù)器、兩路獨立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點 對點接口 PPI 通信協(xié)議、多點接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設計需求。 擴展模塊選型 為了擴展 I/O 點和執(zhí)行特殊的功能， S7200 系列 PLC 可以連接擴展模塊（ 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) 轉換時間小于 250us。針對不同的標準輸入信號，EM235 模塊可以通過 DIP 開關進行設置。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。其采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有完善的電動機和變頻器保護功能，內置 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 端子進行自定義。 （ 1） PLC 部分設計 PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴展模塊 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。然后設置變頻器控制端口開關操作控制參數(shù)，如表 所示 A+ A M0 V0 MM440 3 9 4 18 U V W M 3~ 21 表 設置電動機參數(shù)表 參數(shù)表 設置值 說明 P003 1 用戶訪問級為標準級 P0100 1 快速調試 P010 0 功率以 KW 為單位，頻率為 50HZ P0304 380 電動機額定電壓（ V） P0305 電動機額定電流（ A） P0307 電動機額定功率（ KW） P0310 50 電動機額定頻率 P0311 電動機額定轉速（ r/min） 表 控制端口開關開關操作控制參數(shù) 參數(shù)號 設置值 說明 P0003 1/2 用戶訪問級為標準級 /擴展級 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，斷開停止 P0702 2 數(shù)字輸入端 2 接通反轉，斷開停止 P1000 2 頻率設定值選擇為“模擬輸入” P1080 電動機運行的最低頻率（ HZ） P1082 50 電動機運行的最高頻率（ HZ） P1120 斜坡上 升時間（ s） P1121 斜坡下降時間（ s） 水泵機組的選型 水泵機組的選型原則 供水系統(tǒng)在運行時是依靠水泵抽水來實現(xiàn)的，水泵作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構， 22 因此，水泵型號選擇是否合適將影響系統(tǒng)運行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素。選擇水泵時應使銘牌上的揚程最好與所需揚程接 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，使用會更經濟。 實際使用時，只能按標牌所注揚程和流量的 80%～ 90%估算，水泵配套動力的選擇，可按標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換為電信號輸出的傳感器，一般由彈性敏感元件（或應變計）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，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近 于 某一壓力時，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）按測量介質及使用環(huán)境要求選用 傳感器介質接觸材料包括陶瓷、 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