【正文】 運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)采用西門子公司S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。同時(shí)可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。因此 在同一時(shí)間內(nèi)只 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 24 能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實(shí) 現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 22 機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號(hào)，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)，模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4 個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1 個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)通道。 實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 式中： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 19 3 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報(bào) 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動(dòng) 、 自耦 變 壓 器 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機(jī)組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。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，將另一臺(tái)工頻泵 M3 關(guān)掉。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓 供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4—20mA 的電信號(hào) ，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的 組成及原理圖 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)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水 泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。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。此時(shí)水泵輸出功率正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。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。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 10 水的。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況， 因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系H=f(Qu)。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有 ： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 S7200 有 5 種 CPU模塊，最多可擴(kuò)展 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或 38 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； (2) 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件； (3) 靈活方便的尋址方法； 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 7 (4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面； (5) 有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格； (6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻調(diào)速技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、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，對(duì)電器設(shè)備要求較高、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。 本系統(tǒng)包含三臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。通過工控 機(jī)與 PLC 的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。 (5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供 水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面 4 種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。從 20 世紀(jì) 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的基于 VVVF 技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。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(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能 效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(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，像日本 Samco 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控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7 臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 根據(jù)公式可 知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。 在供水系統(tǒng)中，通 常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。系統(tǒng)主要的任務(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)的軟起動(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)行傳輸和監(jiān)控。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過 PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 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。 (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(hào)減小，偏差變大， PLC 的輸出信號(hào)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。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。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 18 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。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少， 因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 21 變頻器的選型 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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量?？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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。 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(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；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。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變