【正文】 揚(yáng)程H＝24m。1)　以住宅小區(qū)為對(duì)象，對(duì)目前使用的多種供水方式進(jìn)行比較，闡述變頻恒壓供水系統(tǒng)在住宅小區(qū)供水系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。變頻供水的優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便捷。3設(shè)計(jì)時(shí)間和場(chǎng)地：學(xué)院根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)階段的具體情況，提供了較為靈活的教學(xué)進(jìn)度計(jì)劃、輔導(dǎo)時(shí)間及相應(yīng)的教室、實(shí)驗(yàn)室，可保證靈活有效地按設(shè)計(jì)進(jìn)度完成設(shè)計(jì)任務(wù)。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點(diǎn)如下：(1) 恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)的反應(yīng)，水泵的增減都依賴(lài)人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行， 不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。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(duì)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。總之，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績(jī)，但是總體上來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴(lài)還很?chē)?yán)重。昌寧集團(tuán)也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器(~22kw)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。” 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(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。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，2004年升級(jí)為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下[6]：(1) 功能強(qiáng)大。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： () 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。 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(mén)開(kāi)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(xiàn)。 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(mén)等構(gòu)成。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度保持不變，是通過(guò)改變水的動(dòng)能改變流量。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(xiàn)為b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€(xiàn)n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。(2) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性?xún)r(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。(3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(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)際供水壓持在設(shè)定的供水壓力上[10]。(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(hù)管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿(mǎn)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。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20HZ左右。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過(guò)對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7200型PLC的主模塊為CPU226，其開(kāi)關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。供水系統(tǒng)屬泵類(lèi)負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。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。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)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。同時(shí)可以通過(guò)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接電壓表顯示線(xiàn)電壓。本系統(tǒng)采用西門(mén)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。 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。水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，KM1線(xiàn)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(kāi)，實(shí)現(xiàn)KMKM2的電氣互鎖。(3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 只是簡(jiǎn)單的表明PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線(xiàn)情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線(xiàn)情況。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)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。(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)。詳細(xì)的主程序梯形圖請(qǐng)參考附錄C。在初始化PID控制的各參數(shù)（Kc、Ts、Ti、Td），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。微分環(huán)節(jié)主要用來(lái)控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來(lái)可分為兩大類(lèi)：理論計(jì)算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定法，本設(shè)計(jì)選用的是動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)廣義過(guò)程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對(duì)象WO(s)和測(cè)量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法[17]。step(s)。當(dāng)時(shí)， () ()計(jì)算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，編程如下：s1=tf(2,[300,1])。實(shí)際控制中多采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為： （）式中：為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量；；。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱(chēng)之為PID控制。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。(3) 水泵的軟啟動(dòng)程序增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。梯形圖(LAD)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制。這一功能可通過(guò)比較指令實(shí)現(xiàn)。 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名 稱(chēng)代 碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1白天，0夜間)SA1水池水位上下限信號(hào)SLHL變頻器報(bào)警信號(hào)SU試燈按鈕SB7壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL11泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL22泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL32泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL43泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL53泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL6輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7變頻器故障報(bào)警指示燈HL8白天模式運(yùn)行指示燈HL9報(bào)警電鈴HA變頻器頻率復(fù)位控制KA變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0，畫(huà)出PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線(xiàn)圖，： PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線(xiàn)圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。 PLC的I/O端口分配及外圍接線(xiàn)圖基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：(1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。只有當(dāng)SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路，KM1線(xiàn)圈失電，電機(jī)M1停止運(yùn)行。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB6控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi)主電路(如直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，而必須通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測(cè)量；零點(diǎn)和滿(mǎn)量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號(hào)：兩線(xiàn)制4~20mADC精度等級(jí)：。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類(lèi)似于水的無(wú)顆粒、無(wú)雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無(wú)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。 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(guò)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。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(guó)SIEMENS公司的S7200型。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(guò)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，此時(shí)又滿(mǎn)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。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0HZ。(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。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。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。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(xiàn)，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。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。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。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(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法。由于閥門(mén)開(kāi)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(hù)的供水能力。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。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。 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。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(lèi)似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)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。 PLC概述 可編程控制器的定義可編程控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)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。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(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠(chǎng)家開(kāi)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(guò)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)。從20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。(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(kāi)發(fā)周期