【正文】 論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。通過工控機(jī)與 PLC 的連接，采 用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。它采用了微機(jī)控制技術(shù)，電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無極調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。 目前國內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用 PLC 及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)的總控制方案設(shè)計(jì)。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變， 5 但揚(yáng)程特性不變。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇： (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(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。同時(shí)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。但是也有其缺點(diǎn)，就是輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此適用范圍受到限制。 管網(wǎng) 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)用變頻去拖動(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， 本 設(shè)計(jì)中采用前者 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 如下 : (l)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖 動(dòng)變頻 泵 M1 工作， 根據(jù) 壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 若出現(xiàn) sfPP?時(shí)就 進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。在 1987 年國際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專 12 門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 PLC 控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在 RUN 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 歐姆龍 CP1E PLC 簡介 歐姆龍 公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。 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 CP1E 型 PLC 的主模塊為 CP1EE40DR，其開關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形 式為 DC 24V 14 繼電器輸出；開關(guān)量輸入為 24點(diǎn)，輸入形式為 +24V 直流輸入。供水系統(tǒng)屬泵類負(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。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)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(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出。 16 圖 32 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 本系統(tǒng) 采用 三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式 ，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1 的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 (2)自動(dòng)控制： 在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。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。 (2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當(dāng) PID 調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí) 5min（以便消除水壓波動(dòng)的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺(tái)數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。 (6) 報(bào)警及故障處理程序 21 本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模式運(yùn)行指示燈以及報(bào)警電鈴。 23 圖 42 2泵變頻運(yùn)行控制流程圖 圖 43 2泵工頻運(yùn)行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì) 24 圖 46 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖 PID 控制器參數(shù)整定 PID 控制及其控制算法 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了 含 PID 調(diào)節(jié)的 PLC 來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保 證供水系統(tǒng)中的壓力恒定 。 (2) 積分環(huán)節(jié) ：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到 PID 位置控制算法表達(dá)式 ： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n dP ji TTu n K e n e j e n e nTT???? ? ? ? ?????? （ 44） 26 式中 ： T 為采樣周期 ； n 為采樣序號(hào) ； e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號(hào) ； e(n? l)為第n? 1 時(shí)刻的偏差信號(hào) 。 (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)： ( ) ( ) ( )e t y t r t?? （ 41） 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 u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID控制器。 22 圖 41 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 主程序流程圖如圖 41 所示。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生 1泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)、 1泵未工作在工頻狀態(tài)時(shí)， 置 1，使 1水泵變頻運(yùn)行 。 20 PLC 程序設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) PLC 主程序主要由系 統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)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(jì)算程序 和報(bào)警程序等構(gòu)成。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)。 圖 34 只是簡單的表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。 接通 時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過按鈕 分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（ 4~20mA 電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入 PLC。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝 15 置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無跳閘運(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 選用日本 ORMON 公司的 CP1E 型。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。 該軟件的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。另外， 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)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(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。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， 將另兩臺(tái)工頻 泵 M M4依次 投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。 8 此信號(hào)來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 變頻器概述 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的，在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在 頻率控制、 升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 [7]，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步淡淡的研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn) 實(shí)踐中。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求的不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們的需求，為了能更合理的分配資源，使能最大限的為人們所用，可采用變頻恒壓供水方式來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)，以達(dá)到供水穩(wěn)定，滿足人們需求，合理優(yōu)化分配等目的。變頻 恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器 等構(gòu)成。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。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。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本系統(tǒng)包含四臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。 本文介紹的是關(guān)于變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 因?yàn)樽冾l恒壓供水系統(tǒng)有高效節(jié)能，恒壓供水，安全衛(wèi)生，自動(dòng)運(yùn)行，管理簡便等優(yōu)點(diǎn)，非常適合現(xiàn)在的國民需求。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情