【正文】 數(shù)字量輸入 。 5) 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。而流量的大小又取決于揚程，但揚程難以進行具體測量和控制。用 PLC 代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié) ； 它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機是輪換的工作。 圖 為恒壓供水 的系統(tǒng) 構(gòu)成 框 圖。恒壓供水就是利用 PID或 PI 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。 7 第二章 恒壓供水基本原理 供水系統(tǒng) 簡介 自 80 年代初，全國各行業(yè)大力開展節(jié)能工作。 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。因此，如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，己是迫在眉睫。 此方法 具有短路保護、 過載 保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了 電機的使用壽命。由于傳統(tǒng)供 水方式的缺陷，本文 設(shè)計了一套 PLC 控制 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。而其中的老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作 。利用PLC 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的全自動恒供水系統(tǒng) ,管道內(nèi)水壓恒定 ,既可以滿足供水要求 ,避免出現(xiàn)供水事故 ,還可節(jié)約電能。 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面 幾種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(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。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾反映在流體壓力的變化上。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須 足夠大，在用水量少時來開一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 PLC 同時還是變頻器的驅(qū)動控制。從而壓力就成為用來作為控制流量大小的參變量。 系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用 PLC 控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器 。下面以單臺變頻器控制兩臺水泵的方案來說明。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要 。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(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，其開關(guān)量輸出為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸入形式為 +24V 直流輸入。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如， 90KW 電動機可以選擇 185KW 變頻器。動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進的驅(qū)動 控制技術(shù) [4]。 傳感器 在工程上，所謂壓力，是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。即 PI=PAP0 （ 33） 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。因為在儀表內(nèi)部設(shè)置一滑線電阻式發(fā)送器，故可把被測值以電量值傳至遠離點的二次儀表上，以實現(xiàn)集中檢測和遠距控制。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實現(xiàn)。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。圖中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。 SB1 按下時由于 KM2常閉觸點接 24 通電路 使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開觸點閉合從而實現(xiàn)自鎖功能，電機 M1可以穩(wěn)定的運行在工頻下。當(dāng) 輸出 1 時，水池水位上下限報警指示燈 HL7 點亮；當(dāng) 輸出 1時，變頻器故障報警指示燈 HL8 點亮；當(dāng) 輸出 1時，白天供水模式指示燈 HL9 點亮；當(dāng) 輸出 1時，報警電鈴HA響起；當(dāng) 輸出 1時，中間繼電器 KA的線圈得電，常開觸點 KA 閉合使得變 頻器的頻率復(fù)位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點亮 [7]。 25 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表 所示。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的 27 抗干擾措施； (3) 輸出方面的保護措施 ； (4) 系統(tǒng)的保護措施等。 (1) 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。 (5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序 水泵的工頻 運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。 主程序流程圖如圖 所示。具體程序梯形圖如圖 所示。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。其實現(xiàn)方法是，首先根據(jù)用戶對水壓的要求，給 PID 控制器預(yù)置一個目標(biāo)壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4— 20mA 的模擬電流信號反饋給 PLC 內(nèi)置的PID 控制器， PID 控制器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。在恒壓供水中常見的 PID 控制器的控制形式主要有兩種 ： 硬件型，即通用 PID 控制器，在使用時只需要進行線路的連接和 P、 I、D參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。 . 研究展望 本次設(shè)計內(nèi)容主要包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、系統(tǒng)的 元件 選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和 PLC 軟件編程等。所以變頻恒壓供水技術(shù)在逐走向成熟的過程中，仍然有必要對其進行更深入的研究。實際運行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、便于維護和高節(jié)能性等特點 ,具有很大的應(yīng)用價值。系統(tǒng)包括可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等。 PID 控制器的應(yīng)用 通過控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進行比較。 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過程分析 恒壓供水的目的就使要保證供水能力 QG適應(yīng)用水需求 QU 變化。 微分部分 (D)可以對輸入的變化趨勢做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。它的原理如圖所示：比 例積 分微 分驅(qū) 動 控 制 對 象y ( t )U ( t )++e ( t )r ( t )+ 圖 PID 控制 原理圖 35 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 y(t)構(gòu)成的控制 偏差 [10] e(t)=y(t)一 r(t) （ 41） 將偏差 e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器。 30 開 始調(diào) 用 初 始 化子 程 序設(shè) 置 兩 種 模 式下 水 壓 給 定 值設(shè) 定 變 頻 泵 號變 頻 器 頻率 達 上 限定 時 5 m i n , 濾 波YN工 頻 泵 數(shù) 加 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動 脈 沖變 頻 器 頻率 達 下 限Y定 時 5 m i n , 濾 波N工 頻 泵 數(shù) 減 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動 脈 沖是 否 增 泵 或 倒 泵復(fù) 位 變 頻 器 ，變 頻 泵 號 加 1YN調(diào) 整 變 頻 泵號 ， 遇 4 變 1產(chǎn) 生 當(dāng) 前 泵 工 頻運 行 ， 下 臺 泵 變頻 運 行 啟 動 脈 沖變 頻 泵 單 獨 運行 時 間 達 3 hYN產(chǎn) 生 倒 泵 信 號1 、 2 、 3 泵 變 頻運 行 控 制1 、 2 、 3 泵 工 頻運 行 控 制水 池 水 位 越 限YN水 位 越 限 報 警變 頻 器 故 障YN變 頻 器 故 障 報 警是 否 有 報 警YN變 頻 泵 號 置 1工 頻 泵 數(shù) 置 0產(chǎn) 生 故 障 結(jié) 束脈 沖程 序 結(jié) 束 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 31 是 否 有 變 頻啟 動 脈 沖 信 號YN變 頻 泵 號是 否 為 2YN系 統(tǒng) 是 否 無 故 障YN是 否 無 變 頻 器復(fù) 位 脈 沖YN2 泵 是 否工 頻 運 行NY2 泵 變 頻 運 行開 始結(jié) 束開 始是 否 有 工 頻運 行 啟 動 脈 沖YN幾 號 泵變 頻 運 行 ？工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 0工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 13 泵變 頻 運 行1 泵變 頻 運 行YNYN2 泵 是 否變 頻 運 行NY2 泵 工 頻 運 行結(jié) 束 圖 2泵變頻運行控制流程圖 圖 2泵工頻運行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計 (1) 初始化子程序 SBR_0 首先初始化變頻運行的上下限頻率， 一般 水泵變頻運行的上下限頻率分別為50HZ 和 20HZ。當(dāng)故障信號產(chǎn)生時，相應(yīng)的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。 (3) 水泵的軟啟動程序 增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。梯形圖 (LAD)語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言，與計算機語言相比，梯形 圖可以看作是 PLC的高級語言，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)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC的擴展模塊 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，它作為開關(guān)量輸入 ；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，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作 。倒泵只用于系統(tǒng)只有 一臺變頻泵長時間工作的情況下。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。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點 ，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 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。為監(jiān)控電機負載運行情況，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來顯示。 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?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。使用晶體管進行連接時，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。 變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時電動機轉(zhuǎn)矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。 變頻器的介紹 選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說明書都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù)，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)，因此，直接按照變頻器標(biāo)稱功率進行選擇，在實踐中可能會行不通。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則 1號泵電機的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 一 臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)， 1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交