【正文】 nd lower puter,and also has described the method to pile puter monitoring program to realize the lo ng—range monitoring and fault reporting for water supply system through munication modular Key words： Constant pressurewatersupply； PLC； Variable velocity variable frequency； Constant pressurewatersupply Key words： Constant presrewater supply ； PLC； Variable Velocity Variable fequency； Constant pressurewatersupply 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 本論文針對(duì)住宅小區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了一套由 PLC、變頻器、 遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制和現(xiàn)場手動(dòng)控制等功能。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有多種輔助功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 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，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。此方法以三相波形的整體生成效 果為基礎(chǔ)，以逼近電機(jī)氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻 VVVF(VableVoltage Variable Frequency)成為變頻調(diào)速技術(shù)的核心。 1995年， ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其各系列通用變頻器的核心技術(shù)。隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)的高速發(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(jì)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(xiàng)目提供了電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會(huì)的需要。目前， PLC在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì) 的飛躍。而且，為了 進(jìn) 步提高 PLC的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了 PLC軟、硬件功能。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC以外，絕大多數(shù) PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。由于 PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得其在我國的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于雙 CPU來說，一般具有一個(gè)位處理器和一個(gè)字處理器。用戶不能訪問和修改存貯器這部分的內(nèi)容 。由于數(shù)據(jù)在控制器應(yīng)用中是經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的，因此數(shù)據(jù)存貯器一般選用 CMOS RAM，以滿足隨機(jī)存取的要求。數(shù)字量輸出有繼電器輸出、晶體管輸出和可控硅輸出三種方式。模擬量輸出模塊將中央處理器的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量程的電壓或電流輸出信號(hào)，提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 圖形編程器以液晶顯 示器 (LCD)或陰極射線管 (CRT)作屏幕，用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時(shí)顯示各種信號(hào)狀態(tài)、出錯(cuò)提示等。 編程器的結(jié) 構(gòu) 一般包括顯示部分與鍵盤部分。用擴(kuò)展模板來擴(kuò)展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 用戶可根據(jù)自己時(shí)間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴(kuò)展模塊對(duì) PLC作硬件組態(tài)，以求達(dá)到各種功能或控制精度，同時(shí)節(jié)省開支，減少不必要的投資。當(dāng)用戶程序己裝入 PLC的存儲(chǔ)器，編程器就可以被分離，基本控制單元將自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)。 3)多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。具體而言 ，論文包括以下內(nèi)容： 1)論文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究內(nèi)容和研究方法； 2)分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。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，揚(yáng)程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H=f（ Qu） 。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)恒壓供水的。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。而揚(yáng)程則從 H0上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E點(diǎn)移到 F點(diǎn)，此時(shí) 水泵輸出H H2 H1 H0 E n2 D F β 1 β 3 n1 0 Q2 Q1 Q 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 功率用圖形表示為 (0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： （ 24） 當(dāng)用調(diào) 速控制時(shí)，若采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 β 2， 揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，工作點(diǎn)從 E點(diǎn)移到 D點(diǎn)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上從圖 2． 3中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出 頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求 j結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可供選擇 : 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(shí)現(xiàn) PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功能。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)場調(diào)試方便。 2 3 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 a）連續(xù)型（全流量變化型） 流量 Q 100% 50% t（時(shí)） 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 b)連續(xù)型（高流量變化型） 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 c）連續(xù)型 (低流量變化型 ) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 d）間歇型 本文的供水系統(tǒng)主要用于小區(qū)生活用水，其水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，屬連續(xù)型低流量變化型 。多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的 PLC通過編程來實(shí)現(xiàn)。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)。 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)用交頻去拖動(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)行前可以選擇心們；本文采用前者。 4)當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí) 際水壓蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件 (在下文有詳細(xì)的闡述 )時(shí)，系統(tǒng)將上次轉(zhuǎn)換成工頻運(yùn)行的水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重 1新達(dá)到設(shè)定值。循環(huán) 投切恒壓供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到 50Hz或 52Hz時(shí)，能否將變頻器的上限頻率設(shè)為 52Hz，取決于水泵電機(jī)運(yùn)行在 52Hz時(shí)是否超載。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時(shí)后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同 4步。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，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，這樣構(gòu)成水泵組有下幾個(gè)原因：用幾個(gè)小功率的水泵代替一臺(tái)大功率的水泵，使水泵選型容易，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)更適合于大功率的供水系統(tǒng)；供水系統(tǒng)的增容和減容容易，無需更換水泵，只要再增加恒速泵即可；以小功率的變頻器代替大功率的變頻調(diào)速器，以降低系統(tǒng)成本，增加系統(tǒng)運(yùn)行可靠性；附屬小泵的加入，使系統(tǒng)在用水量很低時(shí) (如：夜間 )可以停止所有的主泵，用小泵進(jìn)行補(bǔ)水，降低系統(tǒng)的運(yùn)行噪音： 在用水量不太大時(shí)，系統(tǒng)中不是所有的水泵在運(yùn)行，這樣可以提高水泵的運(yùn)行壽命，同時(shí)降低系統(tǒng)的功耗，達(dá)到節(jié)能的目的。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長期運(yùn)行費(fèi)用少：其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便； 其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來配置變頻器容量，減少投資。根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量 變化型等。 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。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： （ 28） 式中： K為系統(tǒng)的總增益， T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)， τ 為系統(tǒng)滯后時(shí)間 2． 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 供水系統(tǒng)的控制流程 及其控制流程圖 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。 變頻恒壓控制的理論模型 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。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。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。在這一點(diǎn)，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(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由圖 2． 1可以看出，流量 Q越大，揚(yáng)程 H越小。 4)減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應(yīng)，所謂的水錘效應(yīng)就是在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲 ，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)及其安全性討論 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，在本文中主要應(yīng)用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1)滯后性：供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量 (如：溫度、流量、 濃度等 )一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。通常，一個(gè) PLC機(jī)架只能容納一定數(shù)量的模塊插件，這種包含主機(jī)模塊和部分 I／ O模塊的機(jī)架稱為基本控制單元。擴(kuò)展模板的外形一般也小巧、堅(jiān)固，有易于接線的端子排，帶有擴(kuò)展總線或通過總線連接器與 CPU相連。 監(jiān)控工作方式可以對(duì)運(yùn)行中的控制器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對(duì)某一線圈或觸點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，也可以對(duì)成組器件的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時(shí)間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對(duì)一些器件進(jìn)行操作。目前