【正文】 主程序的功能最多，如泵切換信號的生山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的軟件設計 32 成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關 SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關量輸入 ；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設定水池水位的上下限，當超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報警信號；開關 SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。單刀雙擲開關 SA 打至 2 端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC 程序控制。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 系統(tǒng)控制電路分析及其設計 系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統(tǒng)的運行性能。為監(jiān)控電機負載運行情況，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來顯示。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 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間過長。在 運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，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備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個數(shù)字量輸入，當壓力超出上限時，關閉所有水泵并進行報警輸出 [13]。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng) 用水量的變化幅度相匹配。供水系統(tǒng) 屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關量輸出為16 點，輸出形式為 AC220V繼電器輸出 ； 開關量輸入 CPU226 為 24 點，輸入形式為 +24V直流輸入。所以，在實際應用中，相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在 20HZ 左右。 (4) 當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)的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 17 工頻泵 M2 關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水 壓力上 [10]。 (3) 控制機構：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) )、變頻器和電控設備三個部分。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 (2) 通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。當用調(diào)速控制時，若采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，工作點從 E 點移到 D 點。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 9 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關系曲線，如圖 所示。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 8 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案 確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調(diào)速原理 水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 S7系列是傳統(tǒng)意義的 PLC，S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2020 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點如下 [6]： (1) 功能強大。 20世紀 80 年 代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。 ” PLC 的發(fā)展和應用 世界上公認的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設備公司 (DEC)研制的。原深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(~22kw)，無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)?？傊m然國內(nèi)變頻調(diào)速技術取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關設備的能力還比較弱 ，對國外公司的依賴還很嚴重 。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池 滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點如下 [1]： (1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構成。 關鍵詞 ：變頻調(diào)速，恒壓供水， PLC，組態(tài)軟件山東科技大學學士學位論文 ABSTRACT ABSTRACT According to the requirement of China39。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。在我國， 60%的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此如何利用電機調(diào)速技術進行電機運行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國家和業(yè)界人士的重視。這類設備雖微化了電路結(jié)構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的 監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制 [3]。在 1987 年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。此時的 PLC 為微機技術山東科技大學 學士學位論文 緒論 6 和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制 器的工業(yè)控制設備的配套更加容易 。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關系H=f(Qc)。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。由上述關系有，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)。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇 [8]： (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構簡單，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，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。同時由于 PLC 的抗干山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 13 擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。另外 為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要 對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。反之，當用水量減少水壓增加時 ，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 — 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，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 S7200 型 PLC 的結(jié)構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機的功率和電流進行選擇。MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機的輸入信號。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。 綜合以上因素：本設計選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為 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量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號：兩線制 4~20mADC 精度等級： 級。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。系統(tǒng)啟動、運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斷開 )，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。手動運行時，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺水泵的啟 /停；自動運行時，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運行。只有當 SB2按下時才會切斷電路， KM1 線圈失電，電機 M1 停止運行。 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)設計的基本要求如下： 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 28 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設定的給定水壓值不同。 表 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸入信號 供水模式信號 (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號 SLHL 變頻器報警信號 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泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工