【正文】 變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 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。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì) 31 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)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(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)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(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。 圖 只是簡(jiǎn)單的表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)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(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過(guò)開關(guān)分別控制 三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，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(yùn)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(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3 臺(tái)上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)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(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS485/232C 接口和用于簡(jiǎn)單過(guò)程控制的 PI 閉環(huán)控制 器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì) I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 EM235 模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò) DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。因此我們?cè)谶x擇 PLC 時(shí)，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(kuò)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(shí)就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了 一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過(guò)了設(shè)定壓力。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)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(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)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(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 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)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(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)先將變頻器從該水泵電機(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)；變頻固定式是變頻器拖動(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 15 求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇 [9]，本設(shè)計(jì)中采用前者。管網(wǎng)水壓信號(hào)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(hào)。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 機(jī)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(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻 率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。下面重 點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。 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)，本設(shè)計(jì)中有 3 個(gè)貯水池， 3 臺(tái)水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。這標(biāo)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(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。因此，有待 于進(jìn)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(shí)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(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 4 同時(shí)，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(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 20 世紀(jì) 80 年代初，日本學(xué)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(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單明了，維修方便。壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào)，送入 PLC 與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)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(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 2 或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)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(dòng)中的是德國(guó)人。在早期，由于國(guó)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(dòng)控制以及制動(dòng)控制、壓頻比控制以及各種保護(hù)功能?？梢钥闯?，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 5 得不夠。 20世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)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(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)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(guò)于復(fù)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(jià)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(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)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(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)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。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 16 器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(shí)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(dāng)變頻泵己運(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(lái)滿足供水要求，達(dá)到 恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。 當(dāng)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)。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(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)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(jì) 20 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一 個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。 。壓力表測(cè)量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀 輸出一路 4~20mA 電流信號(hào)，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 23 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1