【正文】 S7－200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性能價(jià)格比，是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用；大范圍的各種功能模塊可以非常好的滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù)，各種單獨(dú)的模塊之泛組合以用于擴(kuò)展；簡(jiǎn)單實(shí)用的分散式結(jié)構(gòu)和多界面網(wǎng)絡(luò)能力，使得應(yīng)用十分靈活；方便用戶和簡(jiǎn)易的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)；當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可以自由擴(kuò)展；大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。中間繼電器 KA 的常開觸點(diǎn)接 PLC 的 X0，控制自動(dòng)變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。圖 52 主電路 電氣控制電路設(shè)計(jì)在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。圖 51 供水系統(tǒng)圖 主電路設(shè)計(jì)三臺(tái)大容量的主水泵（1，2 ，3）根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工上 位 機(jī) 通 信 模 塊 PLC變 頻 器 PID調(diào) 節(jié) 器故 障 自 動(dòng) 報(bào) 警 壓 力 變送 器清 水 池 用 戶 管 網(wǎng)工 頻 輸 入 變 頻 輸 出進(jìn) 水 管 電 動(dòng) 閥 門 一 號(hào) 泵二 號(hào) 泵三 號(hào) 泵輔 助 泵 第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 31頻、停泵三種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過一個(gè)接觸器接入工頻。（3）變頻器的輸出頻率始終處于調(diào)整狀態(tài)，因此，其顯示的數(shù)值常不穩(wěn)定。常見有下面幾種情況。壓力目標(biāo)值的預(yù)置壓力目標(biāo)值是一個(gè)比值，它和允許的管道壓力大小及選用的傳感器有關(guān)。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)26（3）用水量減少時(shí)當(dāng)用水量減少，用水需求 QU供水能力 QG，水壓上升，壓力反饋信號(hào) y 增大，偏差 e=yr0，PID 輸出的控制增量 Δu0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程 變頻調(diào)速恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)過程分析變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG 適應(yīng)用水 QU 需求變化。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。直到系統(tǒng)偏差為零。 PID 控制規(guī)律為： （42 ）p1()u(t)=K[()]DdetettT??式（42）中，K p 表示比例系數(shù)；T 1 表示積分時(shí)間常數(shù)；T D 表示微分時(shí)間常數(shù)。最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件?；販h(huán)的應(yīng)用提供了這樣一個(gè)保障，即如果切換的判別條件滿足，那就說明此時(shí)實(shí)際供水壓力在當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行狀況下滿足不了設(shè)定的要求。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 21水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 [16]。所以，選擇這兩個(gè)時(shí)刻作為水泵機(jī)組切換的時(shí)機(jī)是合理的，但要做以下考慮。另外，變頻廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)20器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。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，直到剩下一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。其需要完成的控制流程如圖 。變頻器跟蹤供水控制器送的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。(2)液位信號(hào):它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。(2)供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可。由于有良好的人機(jī)界面，使得操作更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更直觀。 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案 變頻恒壓控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)從恒壓供水的原理分析可知，系統(tǒng)主要有變頻器、壓力傳感器、壓力變送PID電 機(jī) 水 泵反 饋 電 壓+Uf P變 頻 器U* 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15器、恒壓控制單元及低壓電器等。 用水少而供水多，則壓力大。操作面板是變頻器人機(jī)對(duì)話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，或者修改變頻器的運(yùn)行參數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。但由于開環(huán)轉(zhuǎn)速控制中，揚(yáng)程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實(shí)際工程需要。當(dāng)用戶所需流量減少時(shí)，設(shè)從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關(guān)小來減少水泵出口水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會(huì)因管網(wǎng)過載而造成爆管的危險(xiǎn)。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚(yáng)程 H 的乘積(如圖 23 中 0QAAHA 的面積)成正比。這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。圖 21 水泵的揚(yáng)程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(tǒng)(包括水管、閥門等) 對(duì)水流阻力的物理量。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。即水泵揚(yáng)程最終反映的是水泵供水高度。以耐/s( 米 3/秒)、m3/h(米 3/小時(shí) )、七/:(千克/秒)、t/:(噸/ 秒)等表示。本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下:1）通過揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和 第一章 緒論 5水泵的運(yùn)行曲線，說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。(2)高壓變頻系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用在過去變頻供水較少涉及高壓變頻系統(tǒng)，這也是系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，高一低一高型的高壓變頻系統(tǒng)，串聯(lián)多電平高壓變頻系統(tǒng)目前已在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，高壓變頻中的諧波問題己逐步得到解決。 （6）容錯(cuò)性當(dāng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)水泵及變頻器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在國外,一個(gè) 10x10，m3/d 的水廠只需 3~5人管理。 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)簡(jiǎn)介 國內(nèi)外變頻恒壓供水的現(xiàn)狀目前，國內(nèi)大中城市的水廠基本上都采用變頻恒壓供水方式，生產(chǎn)過程的重要參數(shù)可以實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。(2)壓力供水氣壓罐供水方式屬于壓力供水，具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，聯(lián)軸器沖擊大，起動(dòng)電流大，觸點(diǎn)易燒，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。我國家是一個(gè)在水資源和電能方面都很短缺的國家，在大力提倡節(jié)約能源的今天，人們也更加重視有關(guān)降低供水系統(tǒng)能耗的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載約占我國總耗電量的 80%，這主要是由于我國供水設(shè)備工作效率低，控制方式不合理，據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵的效率大多不足 60%，存在著很大的能源浪費(fèi) [1]，因此運(yùn)用水泵供水節(jié)能技術(shù)，設(shè)計(jì)可靠性高，運(yùn)行效率高的供水系統(tǒng)具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。（3）恒速泵加壓供水廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2恒速泵加壓供水方式無法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。加氯加礬、沉淀池、濾池及泵房、變電所也同樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)管理，構(gòu)成完整的 DCS 系統(tǒng)。在運(yùn)行當(dāng)中，還采用了自動(dòng)化智能措施，運(yùn)用實(shí)時(shí)指示器不斷評(píng)定每一階段程序處理效果和作出微小糾正 [3]，并融合了以太網(wǎng)技術(shù)，提高了水廠的信息化程度。在故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)轉(zhuǎn)而執(zhí)行專門的故障子程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。(3)變頻供水系統(tǒng)正在融入更全面的供水管理系統(tǒng)面對(duì)日益復(fù)雜的供水系統(tǒng)，如何在滿足供水需求的前提下，最大限度的提高供水系統(tǒng)的效益，是所有供水部門共同面臨的重要課題，目前，在美國，日本，法國等地的有些城市己基本上實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化。2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量要求。水泵總揚(yáng)程包括把水上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。(6) 壓力 pP 表示供水系統(tǒng)中某個(gè)位置或某個(gè)點(diǎn)水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時(shí)取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關(guān)。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。如果把某一水泵揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標(biāo)系中(圖 23)，則這兩條曲線的交點(diǎn)A 就是水泵的工作點(diǎn)。 水泵的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。此時(shí)，管阻特性由曲線 2 變?yōu)榍€ 4，水泵的工況點(diǎn)則沿著水泵特性曲線由 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)，此時(shí)流量減小了，但揚(yáng)程卻由 HA 增大到 HB。 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點(diǎn)調(diào)節(jié)因此采用閉環(huán)恒壓控制，對(duì)于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點(diǎn)如圖 所示，理想運(yùn)行特性曲線為直線 H*ABC。廣東石油化工學(xué)院本科畢業(yè)( 設(shè)計(jì)) 論文：基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)12根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調(diào)速方法由公式 ()可知，異步電動(dòng)機(jī)可以通過改變電源頻率、磁極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。因此本系統(tǒng)采用“變頻器+PLC+ 上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)”的模式 [13]。(3)以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)。開始啟動(dòng)運(yùn)行滿足小水泵運(yùn)行條件實(shí)際壓力 = 設(shè)定壓力 ？實(shí)際壓力 設(shè)定壓力 ？執(zhí)行降壓控制停泵和報(bào)警輸出執(zhí)行輔助控制執(zhí)行升壓控制N oY e sY e sN oY e s N oN o Y e s壓力設(shè)定報(bào)警信號(hào)有效Y e sN o圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖現(xiàn)將流程圖說明如下:系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)水泵一號(hào)泵(可以是二號(hào)泵，也可以是三號(hào)泵 ，這里以一號(hào)泵為例) ，通過恒 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制一號(hào)泵的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間一號(hào)泵工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降傳到 0HZ。首先把上面的判別條件簡(jiǎn)寫如下 [15]：f= （31 ）UPffS?f= （32 ）LOW?式中： ：上限頻率 ：下限頻率UPf f：設(shè)定壓力 ：反饋壓力S f對(duì)于第一個(gè)判別條件，可能出現(xiàn)這種情況:輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。對(duì)于第二個(gè)判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。但這個(gè)判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實(shí)需要進(jìn)行機(jī)組切換，因?yàn)橛袃煞N情況可能使判別條件的成立