【正文】 的。即 1968 年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化生產(chǎn)變 頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的 ABB 集團(tuán)推出了 HVAC 變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能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。因此，有待進(jìn)一步 2 研究改善 變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能突破更好的應(yīng)用與生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)。 （三） 本課題的主要研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)是以供水系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，并引用計(jì)算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證供水系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。硬件設(shè)備選型、 PLC 選型、估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O 連接圖、分配 I/O 點(diǎn)數(shù)， 列出 I/O 分配表，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。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 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 4 變頻供水的一種典型形式是變頻恒壓供水。泵的轉(zhuǎn)速 n 與流量 Q 、揚(yáng)程 H及泵的軸功率 N 的關(guān)系如下式所示： Q1/Q2 = n1/n2 H1/H2 = (n1/n2)^2 N1/N2 = (n1/n2)^2 泵用電動機(jī)驅(qū)動時(shí)，電動機(jī)功率 P 可用下式表示： P = ρ QH/ηη X 10^3 式中 : P— 電動機(jī)功率 (KW) ； ρ — 流體密度 （ kg/m^3）； Q— 泵的流量 （ m^3/s） 。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。由于實(shí)際 用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。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。 水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 6 n=60f/p(1s) 式中： n— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 （ r/min） 。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用 。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (3)控制機(jī)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(gè)部分。 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部 分。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的 8 目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在 設(shè)定的供水 壓力上。 (2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)， 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(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 (4)當(dāng)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(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將 工頻 泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。這個(gè)頻率遠(yuǎn)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(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉 。 所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)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(shí)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(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點(diǎn)，輸入 形式為 +24V 直流輸入。 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對便宜的 U/f 控制變頻器?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)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。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字量 輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān) 閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變 送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號（ 4~20mA 電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號，輸入 PLC。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 4 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時(shí)間過長。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器FR 實(shí)現(xiàn)。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互 感器和變送器將 4~20mA 電流信號送至上位機(jī)來顯示。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。 （三） 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。圖中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖一起讀圖。 SB1按下時(shí)由于 KM2常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1的線圈得電， KM1 的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時(shí)開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由 PLC 程序控制。當(dāng) 輸出 1 時(shí) ，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL10 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL11 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA 響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器KA 的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL12 一直點(diǎn)亮。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時(shí)間工作的情況下。 17 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如上表所示。 ~分別輸出四臺水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號； 輸出水位超限報(bào)警信號； 輸出變頻器故障報(bào)警信號； 輸出白天模式運(yùn)行信號； 輸出報(bào)警電鈴信號； 輸出變頻器復(fù)位控制信號； AQW0 輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。判斷需啟動新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。在初始化后緊接著要設(shè)定白天 /夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。 (4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序 各水泵變頻運(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。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動脈沖后，若當(dāng)前 2泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 0，或者當(dāng)前 3泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 1，亦或者當(dāng)前 4 號泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻數(shù)大于 1，則 置 1， KM1 線圈得電，使得 KM1 常開觸點(diǎn)閉合， 1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí) KM1 常閉觸點(diǎn)打開防止 KM2 線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖， KM1 的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。 故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號和工頻泵運(yùn)行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。 23 PID控制中斷子程序 INT_0梯形圖 24 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖如下圖所示 25 26 27 28 29 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖 30 （三） PID 控制器參數(shù)整定 控制及其控制算法 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含 PID 調(diào)節(jié)的 PLC 來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對給定值 r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差 e(t)： ( ) ( ) ( )e t y t r t?? 經(jīng)比例 (P)、積 分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 (2) 積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n dP ji TTu n K e n e j e n e nTT???? ? ? ? ?????? 式中： T 為采樣周期； n 為采樣序號； e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號； e(n? l)為第n? 1 時(shí)刻的偏差信號。 W c ( s ) W v ( s ) W o ( s )W m ( s )+— 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 32 由于本設(shè)計(jì)對壓力控制的要求較高，故選擇 PI 控制器，其傳 遞函數(shù)為： 11( ) 1CIWs Ts? ???????? 本系統(tǒng)可近似為 帶純滯后的一 階慣 性環(huán)節(jié) ，假設(shè)其過程傳遞函數(shù)為：3002() 3 0 0 1 sOW s es ?? ?； 變頻器可近似為 一個(gè)比例環(huán)節(jié)，即 ( ) 50VWs? ；反饋回路傳遞函數(shù)為 ( ) ? 。壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。對整個(gè)供水過程來說，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，管理人員可根據(jù)每個(gè)季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設(shè)定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達(dá)到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制。電機(jī)與電氣控制技術(shù)項(xiàng)目化教程，南京大學(xué)出版社 [2] 王艷芬 侯益坤 PLC 原理與編程實(shí)例分析（第二版），北京 國防工業(yè)出版社 [6] 鄧星鐘主編現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù) [M].北京航天航社， [11] 王占奎主編從開始的畢業(yè)設(shè)計(jì)的講課答疑，平時(shí)資料的搜集，一直到現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終完成，老師在每個(gè)階段都激勵著我們前進(jìn)。當(dāng)我遇到困難時(shí)，他們給了我許多好的建議和無私