【正文】 電控設(shè)備三個(gè)部分。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 。 (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)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將工頻 泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。 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 () 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 16 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 17 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 。 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。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)。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。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。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)基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 23 可以通過開關(guān)分別控制兩 臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。當(dāng) 輸出1 時(shí)，水池水位上下 限報(bào)警指示燈 HL5 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL6 點(diǎn)亮； 當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL7點(diǎn)亮； 當(dāng) 輸出 1 時(shí)， 報(bào)警電鈴 HA 響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA 的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系 統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 所示。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護(hù)措施； (4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加 1 的方法實(shí) 現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表 (STL)語言、梯形圖 (LAD)語言、功能塊圖 (FWD)語言 [14]。 在初始化后緊接著要設(shè)定白天 /夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前 2泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于 0， 則 置 1， KM1 線圈得電，使得 KM1 常開觸點(diǎn)閉合， 1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí) KM1 常閉觸點(diǎn)打開 防止 KM2 線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖， KM1 的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。由于在圖 中并未對(duì)各臺(tái)水泵的變頻和工頻運(yùn)行控制做詳細(xì)介紹，因此圖 和圖 對(duì)其作了完整的補(bǔ)充。 圖 初始化子程序 SBR_0 梯形圖 (2) PID 控制中斷子程序 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 34 首先將由 AIW0 輸入的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，經(jīng)過 PID 運(yùn)算后，再將標(biāo)準(zhǔn)值轉(zhuǎn)化成輸出值，由 AQW0 輸出模擬信號(hào)。 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實(shí) 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分圖 PID 控制原理框圖 PID 控制規(guī)律為 ： 1 ( )( ) ( ) ( )pdid e ty t K e t e t d t TT d t??? ? ?????? （ ） 式中： Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)。 自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用 數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)PID 控制算法具有更大的靈活性和可靠性。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)還為不同的用戶設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限。系統(tǒng)采用 PLC 實(shí)現(xiàn)對(duì)多泵切換的控制。 通過這半年的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，我學(xué)到了很基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 結(jié)束語 41 多課本中無法涉及到的 知識(shí)，體會(huì)到了工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將開始的研究生生活打 下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在提高自己的同時(shí)，我也更加清楚的認(rèn)識(shí)到自己的一些不足之處。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且 具有 工作可靠、施工簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著、全自動(dòng)控制、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中選擇北京亞控公司的“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。 (3) 微分環(huán)節(jié) ： 對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。 PID 控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值 r(t)和實(shí)際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)[15]： ( ) ( ) ( )e t y t r t?? （ ） 經(jīng)比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 36 u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。最后再設(shè)置定時(shí)中斷和中斷連接。詳細(xì)的主程序梯形圖請(qǐng)參考附錄 C。 (5) 各水泵 工頻運(yùn)行控制邏輯 程序 水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 29 (1) 系統(tǒng)初始化 程序 在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì) 變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù) 進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值 ，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。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%。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3h，因此每次需啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。~ 分別輸出 兩 臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號(hào)； 輸出水位超限報(bào)警信號(hào)； 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)； 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)； 輸出報(bào)警電鈴信號(hào)； 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)； AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。 (4) 兩 臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 輸出 1水泵工頻運(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 。 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)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)兩 臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。 PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口 (PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)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(jí)口令保護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。另外， 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場(chǎng)的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)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(gè)比較短的 時(shí)間內(nèi)滿足。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細(xì)闡述 )時(shí)，在變頻 循環(huán) 式的控制方式下，系統(tǒng)將 在 PLC 的控制下自動(dòng)投入 水 泵 M2(變速 運(yùn)行 )， 同時(shí) 變頻泵 M1 做工頻運(yùn)行， 系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 變頻 恒壓 供水 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。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電 機(jī)和水泵。 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 b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動(dòng)能改變流量。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 8 變頻 恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 7 2 系統(tǒng)的理論分析及 控制方案 確定 變頻 恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC，S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級(jí)為第二代產(chǎn)品， 20xx 年升級(jí)為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 [6]： (1) 功能強(qiáng)大 。 20世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲 得廣泛應(yīng)用。 ” PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源 ；效率低 ； 可靠性差 ； 自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 關(guān)鍵詞 ：變頻調(diào)速，恒壓供水， PLC，組態(tài)軟件 1 目錄 1 緒論 .................................................................................................................3 課題的提出 .............................................................................................3 PLC 概述 ..................................................................................................4 本課題的主要研究內(nèi)容 .........................................................................6 2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 .........................................................7 變