【正文】 變頻運行接觸器及指示燈 KM HL4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 29 號 3泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 變頻器故障報警指示燈 HL8 白天模式運行指示燈 HL9 報警電鈴 HA 變頻器頻率復位控制 KA 變頻器輸入電壓信號 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。山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計 31 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。 程序中使用的 PLC 元件及其功能如表 所示。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。 圖 只是簡單的表明 PLC 及擴展模塊的外圍接線情況，并不是嚴格意義上的外圍接線情況。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。同理， 3水泵的控制原理也是如此。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1 端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關(guān)分別控制 三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。初始運行時，必須觀察電動機的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。 液位變送器選型 考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機組（電機功率 75KW）。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內(nèi)置的RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制 器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進行功能自定義。 EM235 模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進行設(shè)置。因此我們在選擇 PLC 時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接 口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面 因素。若出現(xiàn) sfPP? 時就進行機組切換，很可能由于新增加了 一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供 水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達到用水要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 15 求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇 [9]，本設(shè)計中采用前者。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 控制方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵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 12 機組以及低壓電器組成。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻 率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。下面重 點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。 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)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有 3 個貯水池， 3 臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。人們很快將其引入可 編程控制器，使 PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。因此，有待 于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐 [4]。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不山東科技大學學士學位論文 緒論 4 同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。 20 世紀 80 年代初，日本學者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。 (4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié) 構(gòu)簡單明了，維修方便。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入 PLC 與設(shè)定值比較后進行 PID 運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來改變供 水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用 “先啟先停 ”的原則。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修山東科技大學學士學位論文 緒論 2 或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 1964 年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中的是德國人。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護功能?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究山東科技大學學士學位論文 緒論 5 得不夠。 20世紀 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 本課題的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 [7]，且成本高而影響它的推廣價值。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。 變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。 (2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (即水泵機組 )進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進行比較，將比較后的偏差值進行 PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻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 16 器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到 恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。 當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機組 SFL 系列水泵 3臺（ 上海 熊貓機械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 20 PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一 個字長 (16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標準輸出信號。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。 。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀 輸出一路 4~20mA 電流信號，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 23 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1