【正文】 大腦，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制基本都得靠它完成。 設(shè)計(jì) 內(nèi)容及要求 本課題的設(shè)計(jì)應(yīng)先滿足工程技術(shù)要求及相應(yīng)的控制精度，其次需要考慮其系統(tǒng)性、綜合性以及可擴(kuò)展性。 目前我國也有很多的公司在做恒壓變頻供水的工程，它們一般都會(huì)采用外國先進(jìn)的變頻器對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對水管的管網(wǎng)壓力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)和循環(huán)控制多臺(tái)水泵平穩(wěn)運(yùn)行，它們采用可編程控制器 （ PLC） 、單片機(jī)和它們相應(yīng)的配套軟件予以實(shí)現(xiàn)，但是在很多方面都達(dá)不到用戶要求的指標(biāo)，比如系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、抗干擾性能、穩(wěn)定性能和開放性擴(kuò)展性都有一定的局限。 國內(nèi)外發(fā)展概況 近年來，恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制技術(shù)日趨成熟，這是因?yàn)樽冾l調(diào)速的技術(shù)在世界上有了很大的發(fā)展。通過此題目，使學(xué)生掌握作為一個(gè)現(xiàn)代電氣工程師所應(yīng)該掌握的基本技能，能獨(dú)立分析問題并確立出合理的設(shè)計(jì)方案，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考問題及解決問題的能力，為今后走向工作崗位奠定一定的基礎(chǔ)。 隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日趨完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。 本論文 設(shè)計(jì)根據(jù)陜西科技大學(xué)供水系統(tǒng) 的 供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。論文詳細(xì)介紹了各主要器件的選型，連接方式，運(yùn)行原理，以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 基于 PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。火力發(fā)電就會(huì)有一定的污染，如果不提高效率，節(jié)能減排會(huì)導(dǎo)致更多的污染破壞地球的大氣層。在國外的一些供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般都是比采取一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一個(gè)水泵機(jī)組去運(yùn)行，導(dǎo)致成本過高很多企業(yè)不看好這種技術(shù)。 就目前國內(nèi)外對于此項(xiàng)技術(shù)的研究來說，還 有很大的發(fā)展空間。而變頻器是恒壓變頻供水系統(tǒng)的核心器件，所以系統(tǒng)性能的好壞主要看變頻器的性能。要想維持一個(gè)物理量不變，就得使這個(gè)物理量與恒值進(jìn)行比較，求差后反饋給系統(tǒng)，形成閉環(huán)系統(tǒng)。這樣可以是系統(tǒng)簡單而且可靠性增加。這種方式是直接由可編程控制器內(nèi)部 PID控制程序來計(jì)算的，這樣就需要帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器 ，造價(jià)較高，如果采用模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要 DC/AC 轉(zhuǎn)換的裝置使得可編程控制器的數(shù)字量裝換為模擬量。組成圖可參看圖 21： 圖 21 系統(tǒng)組成圖 (1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由水泵機(jī)組構(gòu)成，水泵可以將水供入用戶管網(wǎng)，利用水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制管網(wǎng)的水壓。控制機(jī)構(gòu)是恒壓變頻供水系統(tǒng)的心臟，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都要依靠這個(gè)機(jī)構(gòu)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下： 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)通過壓力變送器測量管網(wǎng)水壓，得到 4～ 20 mA 的電信號(hào)，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到 PLC中，與設(shè)定值比較得到的差值通過 PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過，D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵供水流量，最終使供水管網(wǎng)上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變頻供水系統(tǒng)。需求量 (由給定信號(hào)決定 )超過了 1 號(hào)電機(jī)的能力 (用戶可以定義成頻率限制 )， PFC 調(diào)節(jié)器自動(dòng)起動(dòng)輔泵。自動(dòng)切換功能能周期性地調(diào)整各臺(tái)電機(jī)調(diào)用的位置 例如調(diào)速電機(jī)成為最后被調(diào)用的輔助電機(jī)，而第一臺(tái)輔助電機(jī)成為調(diào)速電機(jī)。西門子公司的 PLC系統(tǒng)可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)、通信方便、編程簡單，再加上可以連接工控機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制 [8]。 系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)是 RO2= RO3=0 時(shí)候出現(xiàn)的，此時(shí)繼電器輸出 2動(dòng)作，而繼電器輸出3 復(fù)位。 各個(gè)端子的功能可以參看下表： 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 表 34 軟啟動(dòng)器端子功能 符號(hào) 端子名稱 說明 主回路 交流電源輸入端子 連接三相交流電源 軟啟動(dòng)器輸出端子 連接三相異步電動(dòng)機(jī) 旁路接觸器專用端子 用于連接旁路接觸器 控 制 回 路 輸入 端子 RUN 外控起動(dòng)端子 RUN 與 COM 短接則啟動(dòng) STOP 外控停止端子 STOP 與 COM 短接則停止 JOG 外控點(diǎn)動(dòng)端子 JOG 與 COM 短接則點(diǎn)動(dòng) +12V 內(nèi)部電源端子 內(nèi)部輸出電源， DC12V/12mA 輸出 端子 OC 起動(dòng)完成輸出端子 起動(dòng)完成后晶體管導(dǎo)通 COM 公共端子 內(nèi)部電位參考點(diǎn) K11 故障輸出端子 故障時(shí)， 閉合 斷開 觸點(diǎn)容量： AC250V/5A K12 常開接點(diǎn) 常閉接點(diǎn) K14 K21 起動(dòng)完成端子 常開接點(diǎn) 常閉接點(diǎn) 完成后， 閉合 斷開 觸點(diǎn)容量： AC250V/5A K22 K24 當(dāng)需要利用軟啟動(dòng)器時(shí)閉合 KA50，這時(shí)軟啟器帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)完成后斷開KA50 就完成了一次軟啟。（ xKM1 表示水泵電機(jī)的工頻啟動(dòng)、 xKM2 表示水泵電機(jī)的變頻啟動(dòng)、 xKM3 表示水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器選擇也是通過柜體上的旋鈕來控制的。 變頻器選擇 上電后，如果電源檢測無故障，則進(jìn)行變頻器選擇。系統(tǒng)的控制電路如下： 圖 38 系統(tǒng)控制電路 （ 1） 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 圖 39 系統(tǒng)控制電路（ 2） 如圖 38和 39 所示，其最左邊的指示燈點(diǎn)亮表示系統(tǒng)上電，接下來的 16 個(gè)常開觸點(diǎn)分別連接 16 個(gè)指示燈，當(dāng)對應(yīng)的線圈得電后觸電閉合指示燈得電、點(diǎn)亮，這些指示燈的功能是指示目前各電機(jī)的工作狀態(tài)以及變頻器工作是否正常，后邊還有缺水信號(hào)如果缺水則立即斷開常閉觸點(diǎn) KA3 使系統(tǒng)不再工作，最后一個(gè)是聲音報(bào)警的常開觸點(diǎn)，如果出現(xiàn)異常則閉合使揚(yáng)聲器得電，發(fā)出報(bào)警音。 恒速的啟動(dòng)和斷開靠 DI1 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻接通繼電器 2 或繼電器 3，從開始恒速到恒速保持結(jié)束的時(shí)間和繼電器斷延時(shí)的時(shí)間相同，繼電器 2和繼電器 3 輸出的時(shí)序圖如下所示（繼電器輸出延遲時(shí)間設(shè)置為 20s） ： 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說明書 16 圖 36 繼電器輸出時(shí)序圖 軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì) 軟啟動(dòng)器作為輔助電機(jī)啟動(dòng)和停止的器件，具有重要的作用。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)屬于泵類負(fù)載，所以選擇專為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載專用型 ACS 510 系列變頻器，該變頻器是一款杰出的低壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)，最多可以控制 7 個(gè)泵，內(nèi)置 PID調(diào)節(jié)器并具有循環(huán)軟起功能，利用 PID宏和 PFC 宏可以實(shí)現(xiàn)泵的工頻切換 [9]。 夜間泵的工作分析： 實(shí)際上是采用當(dāng)壓力高于一定值和一定其他條件下，自動(dòng)識(shí)別和切換夜間泵工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。當(dāng)需求量減少了，這樣 1 號(hào)泵的速度降到了設(shè)定的下限以下 (用戶可以定義成頻率限制 )， PFC 調(diào)節(jié)器自動(dòng)停止輔泵。當(dāng)壓力值低于設(shè)定值且工作頻率也已達(dá)到工頻時(shí)，表明水量加大，需要增加泵來滿足壓力需求，這時(shí)變頻器自動(dòng)將 1號(hào)泵切換至工頻工作而變頻器由啟動(dòng) 2 號(hào)泵，依次類推直至 6 號(hào)泵。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 50 Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，經(jīng)過延時(shí)將第一臺(tái)水泵電機(jī)直接軟啟動(dòng)接入電網(wǎng)即可，變頻器控制另一臺(tái)水泵電機(jī)，依次啟動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)完成循環(huán)；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 50 Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，直接軟啟動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)接入電網(wǎng)，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，本次設(shè)計(jì)選擇的是變頻循環(huán)式。對于管網(wǎng)水壓信號(hào)，它是本控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)，如果沒有了它就不能形成完整的閉環(huán)控制，由壓力變送器檢測并送入 PLC 中，再由 PLC 發(fā)出控制信號(hào)給變頻器，變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制管網(wǎng)水壓達(dá)到期望值。這樣就省去了 PID調(diào)節(jié)器，節(jié)約了可編程控制器的容量，從而降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。 (2) 單片機(jī)控制方式 這類控制方式比起邏輯電子電路控制方式的性能要好許多，但是由于單片機(jī)編程調(diào)試比較難，對于不同的現(xiàn)場條件需要的功能不同就 需要調(diào)整整個(gè)電路，所以應(yīng)用不靈活抗干擾能力也不高所以這類方式應(yīng)用也不廣泛 [4]。由于供水管道都比較長，所以其是一個(gè)大時(shí)滯的系統(tǒng)，對于時(shí)滯系統(tǒng)有許多處理方式：可以加史密斯預(yù)估器（ PID控制器并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)）和運(yùn)用大林算法等。目前已廣泛的應(yīng)用于各種住宅小區(qū)和各種建筑供水中，其今后的發(fā)展趨勢是更加的智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，以到達(dá)未來城市建設(shè)智能化，網(wǎng)絡(luò)化和整體規(guī)劃的要求。軟啟動(dòng)器還有軟停車功能：電機(jī)的輸出電壓由 額定電壓在設(shè)定的軟停時(shí)間內(nèi)逐步降至零，停車過程完成，能夠有效的避免停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“水錘”現(xiàn)象。這一類設(shè)備雖然簡化了電路結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)用減少，但是其可擴(kuò)展性不高，接口固定，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性都一般，和別的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與通信，而且其帶負(fù)載的容量有限制，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很多的限制條件，不容易用于各種場合。本套系統(tǒng)應(yīng)用了變頻調(diào)速，結(jié)合 PLC組成的控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、操作方便。本課題來源與實(shí)際工程項(xiàng)目，使用 S7200 PLC和 ACS 510專用風(fēng)機(jī)泵類變頻器構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)，比較分析使用不同的控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合實(shí)際、工藝狀態(tài)來選擇最優(yōu)化的解決方法?，F(xiàn)如今的城市居民住宅區(qū)供水系統(tǒng)就有用水高峰期和用水低峰期的區(qū)別，在高峰期時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷很大，甚至經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，使得電動(dòng)機(jī)損耗非常大；而在低 峰期時(shí)居民用水量降低，但是電動(dòng)機(jī)不會(huì)減速任然在滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致能量很多都浪費(fèi)了，而且一直滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使用水設(shè)備損壞水管也容易爆破，所以應(yīng)該在不同的用水狀況下對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得達(dá)到恒壓供水的目的。恒壓變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為了必然趨勢。其中著重的分析了程序的 主要 設(shè)計(jì)方法，講述了 供水系統(tǒng) 總體的設(shè)計(jì)思路。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)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(shè)計(jì)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(shí)意義，且 運(yùn)用恒壓變頻供水系統(tǒng) 有如下特點(diǎn) ： (a) 節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能運(yùn)行； (b) 節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用 水況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象； (c) 運(yùn)行可靠：由專用變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由變頻到工頻的最小沖擊切換防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂； (d) 控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式； (e) 自我保護(hù)功能完善：假如水泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)顯示故障并同時(shí)啟動(dòng)備用泵，以維持供水平衡； (f) 萬一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動(dòng)系統(tǒng)，以保護(hù)供水； (g) 夜間泵識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)最大限度節(jié)能。因此設(shè)計(jì)節(jié)能減排的供水系統(tǒng)刻不容緩，恒壓變頻供水系統(tǒng)可以結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、 DCS技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，綜合多種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以提高節(jié)能效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性，更加便于操作和管理。隨著變頻技術(shù)的漸漸成熟，無論是在系統(tǒng)穩(wěn)定性還是在自動(dòng)化程度方面都有了長足的進(jìn)步，逐漸人們認(rèn)可了這種技術(shù)，所以就有廠商開始生產(chǎn)一些 有這方面功能的變頻器，比如 ABB集團(tuán)的 HAVC變頻技術(shù)、施耐德公司的恒壓供水基板。變頻調(diào)速技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、 DCS技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)兼具先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)會(huì)使變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制更具使用價(jià)值。 ABB 的變頻器是現(xiàn)在國際上一個(gè)知名的品牌，其作用是控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的速度，并以其性能好、功能組合多樣、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)一直被人們看好。所以如果要控制水壓恒定，就要使管網(wǎng)水壓反饋值與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值的正負(fù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本方案就是采用 ABB 公司專為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載專用型 ACS510 系列變頻器，通過可編程控制器加繼電回路控制的方法實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)控制，同時(shí)達(dá)到泵的循環(huán)工作和夜間 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 節(jié)能自動(dòng)控制。所以這種方式有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。本系統(tǒng)有 6臺(tái) 55 kw 的水泵和一臺(tái) 22 kw 的水泵，根據(jù)管網(wǎng)的需求用量循環(huán)投入和切出水泵機(jī)組。 PLC對系統(tǒng)各部分傳輸來的信息進(jìn)行采集，然后分析從人機(jī)接口得來的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法的 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 運(yùn)算，得到控制方案。 變頻控制 原理 當(dāng)該供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，閉合空氣開關(guān)，然后將手、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)控制上，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，啟動(dòng) PLC和變頻器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力需求設(shè)定水壓期望值然后與水壓實(shí)際值求差，得到偏差信號(hào)，由變頻器的 PID宏功能調(diào)節(jié)輸出頻率，然后根據(jù)設(shè)定好的啟動(dòng)時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速使水壓保持在水壓期望值的附近，實(shí)現(xiàn)恒壓控制的目的。 PFC 調(diào)節(jié)器同時(shí)也降低 1號(hào)泵的速度，這樣兩臺(tái)泵輸出的總量成為系統(tǒng)的總輸出。 (5) 變頻器的循環(huán)軟啟功能使得可以作為一臺(tái)軟啟動(dòng)器加變頻器聯(lián)合工作。 下 圖為 PLC的接口電路 ： 2 4 D 0 10 V D 0 11 變頻器允許啟