【正文】 要專門的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系H=f(Qu)。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 10 水的。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成 正 比，即 ： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。此時(shí)水泵輸出功率 正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以 當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被浪費(fèi)掉 ，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H1 增大，而被浪費(fèi)的功率 要隨之增加。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇 [8]： (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機(jī)組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。同時(shí)由于 PLC 的抗 干山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 13 擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 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(chǎng)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 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(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 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(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為 ： (l) 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(tái) 變頻泵和 兩臺(tái)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，以維山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 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(duì)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(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號(hào)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(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)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 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 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(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4—20mA 的電信號(hào) ，此檢測(cè)信號(hào)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 一臺(tái) 工頻 泵 M3 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(dòng)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(huì)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 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 式中： UPf ： 上 限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 19 3 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 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(dòng) 、 自耦 變 壓 器 圖 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 。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng) 。 由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)，模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4 個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1 個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)通道。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。 由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號(hào)，為了方便 PLC 和變頻 器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合 ，恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。 本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 22 機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 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(jì)中 選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實(shí) 現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。 綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)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(cè)量 ；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號(hào)：兩線制 4~20mADC 精度等級(jí)： 級(jí)。因此 在同一時(shí)間內(nèi)只山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 24 能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。同時(shí)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(dòng)、運(yùn)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(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)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(qiáng)，性能優(yōu)越。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺(tái)水泵的啟 /停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運(yùn)行。 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 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) SB2按下時(shí)才會(huì)切 斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。 輸出 1水泵工頻運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 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(jì)的基本要求如下： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 28 (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。 表 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱 代 碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 供水模式信號(hào) (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號(hào) SLHL 變頻器報(bào)警信號(hào) SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 29 號(hào) 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號(hào) 水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 白天模式運(yùn)行指示 燈 HL9 報(bào)警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號(hào) Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和 1個(gè)模擬量輸