【正文】 速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達(dá)國家進(jìn)口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，即在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進(jìn)口或合資企業(yè)的先進(jìn)變頻調(diào)速設(shè)備，然后自己開發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國內(nèi)重大工程項目提供了電氣傳動控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會的需要。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 西門子S7200PLC簡介西門子公司具有品種非常豐富的PLC產(chǎn)品。硬件設(shè)備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進(jìn)行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1Q2。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機(jī)運行的下限頻率。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。PLC和上位機(jī)的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機(jī)的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)[12]。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。在運行過程中，當(dāng)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(dá)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(shè)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(dāng)壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報警輸出[13]。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。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)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(jī)來顯示。 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。~~，他們旁邊的8等數(shù)字為接線編號。單刀雙擲開關(guān)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。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。~；；；；；；AQW0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1水泵變頻運行信號、1泵未工作在工頻狀態(tài)時，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給定值分別為16000和6400。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r(t)和實際輸出值y(t)之間的偏差e(t)[15]： （）經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。(3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成[16]： （）式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時間。s=feedback(sk,)。s2=tf([240,1],[720,0])。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。本設(shè)計主程序大體包括以下幾部分：(1) 調(diào)用初始化子程序，設(shè)定各初始值；(2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)；(3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號；(4) 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進(jìn)行控制；(5) 進(jìn)行報警和故障處理。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進(jìn)行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、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(dá)上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)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(kuò)展模塊EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān)SA1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換，；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時，窗口比較其輸出高電平1，；，作為變頻器故障報警信號；，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。同理，可以通過按下SBSB5啟動電機(jī)MM3，通過按下SBSB6來使電機(jī)MM3停機(jī)。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計：三臺電機(jī)分別為MMM3，它們分別帶動水泵3。因此本設(shè)計中選擇電機(jī)功率為75KW的上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵3臺。~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(jī)的輸入信號。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。S7200型PLC的結(jié)構(gòu)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)。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)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(jī)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。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。反之，當(dāng)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。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)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(jī)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(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。另外為加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)水水源是否充足。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)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(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速n三次方成正比，即： （） （） () ()式中k、kkk3為比例常數(shù)。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(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關(guān)系H=f(Qc)。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；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(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。此時的PLC為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。在1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)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(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制[3]。在我國，60%的發(fā)電量是通過電動機(jī)消耗掉的，因此如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)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。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(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。通過編程軟件設(shè)計了一個用于供水系統(tǒng)壓力控制的PID控制器，PID控制器內(nèi)置在PLC中，該控制器對于壓力給定值與測量值的偏差進(jìn)行處理，實時控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)整個供水的壓力的自動調(diào)節(jié)，使壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。設(shè)計（論文）的技術(shù)路線及預(yù)期目標(biāo)：（一）、利用PLC、電機(jī)調(diào)速、電工基礎(chǔ)、電機(jī)拖動、電氣CAD、組態(tài)軟件的相關(guān)知識來完成昆冶專四棟學(xué)生公寓供水系統(tǒng)的設(shè)計；收集資料，根據(jù)每人每天的用水量預(yù)算公寓學(xué)生每天的最少供水量，綜合考慮用水高峰期和用水低谷；根據(jù)PLC、變頻器、組態(tài)軟件的相關(guān)知識來完成：供水系統(tǒng)設(shè)備選型、控制系統(tǒng)設(shè)備選型；設(shè)計電氣原理圖，并用電氣CAD繪制相關(guān)圖示；根據(jù)設(shè)計用PLC進(jìn)行編程，并完成組態(tài)軟件相關(guān)的人機(jī)界面的操作利用組態(tài)軟件的相關(guān)知識進(jìn)行調(diào)試運行（二）、采用修建蓄水池和泵房的方法能有效的解決市政管網(wǎng)的供水極不正常，枯水季或用水高峰期經(jīng)常出現(xiàn)斷流或流量偏小的情況，現(xiàn)在的供水已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足學(xué)生需水的要求的問題；該系統(tǒng)能夠做好相關(guān)的儲水工作，能夠解決突然停水帶來的諸多問題。三、供水系統(tǒng)的參數(shù)方案設(shè)計學(xué)生戶數(shù)：460戶（每戶四人）樓層高度24m用水核算：T=180～210升／人?日 *460*4= 3／天 正常供水能力Ｑ=32～48M3／h （按供水時間8～12h/天計算）方案設(shè)計：選擇三臺型號為XPS48403/50LG*2的水泵作為供水泵； 設(shè)計蓄水池容量V=200M3，其中50％的水留作消防用水；另設(shè)一組水泵對消火栓供水，以保證Ｑ=2M3／m的供水能力，持續(xù)時間為1小時，水泵供水