【正文】 供水的工程，大多采用國外品牌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)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(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。 泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，對國民經(jīng)濟(jì)有重大意義。氣壓罐方式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。同時(shí)水泵是工頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會造成一定的能耗。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。(3)射流泵十水箱的供水方式這種方式是利用射流泵本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，利用壓差和來水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝來實(shí)現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不完善，加之該方式會出現(xiàn)有壓無量(流量)的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)將會造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。經(jīng)實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。(2)所有泵可設(shè)計(jì)成變頻循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式(3)采用PID算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制(4)FX2N系列PLC控制變頻及現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行(5)系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)操作工作(6)具有故障自診斷和自處理功能，對過流、欠壓、過壓等變頻器故障均能自行診斷，并發(fā)出報(bào)警信號。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來水管)進(jìn)口壓力保持恒定為條件。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌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)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等等原因，致使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。變頻恒壓供水系統(tǒng)以其節(jié)能、節(jié)省設(shè)備、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在我國供水行業(yè)得到了廣泛推廣應(yīng)用。（5）系統(tǒng)具有自動(dòng)/手動(dòng)操作功能；（6）具有故障自診斷和自處理功能，對過流、欠壓、過壓、等變頻器故障均能自行診斷，并發(fā)出報(bào)警信號。其它相關(guān)電路的設(shè)計(jì)（直流電源等）。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前，大量的電能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)?shù)谋壤?。有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。3．關(guān)鍵問題在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)以下要求具體設(shè)計(jì)：(1) 擬定設(shè)計(jì)思路，它是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的指導(dǎo)(2) 選擇合適的硬件，以便節(jié)省成本和穩(wěn)定的運(yùn)行(3) 選擇合適的PLC使其能夠滿足工作的需要(4) 編制PLC的輸入/輸出分配表或繪制輸入/輸出端子接線圖(5) 根據(jù)系統(tǒng)要求編寫軟件說明書，然后再進(jìn)行程序設(shè)計(jì)(6) 注重設(shè)計(jì)的可用性，以便在工作過程中工作人員對系統(tǒng)的交流和更好的去操作(7) 設(shè)計(jì)工作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件4．設(shè)計(jì)步驟(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書，分析設(shè)計(jì)任務(wù)；(2)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，解決關(guān)鍵問題；(3)完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行器件的選型；(4)繪制軟件流程框圖；(5)編寫程序，調(diào)試；(6)功能完善。關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC；MCGS；監(jiān)控系統(tǒng) 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)AbstractWith the rapid development of socialistic marketing economy,there is a growing demand for better quality of water supply and higher reliability of supply system. In addition ,considering the current mon energy crisis, achieving the scheme of automatingthe water supply system. So it is an inevitable tendency to design and create an energysavingconstantpressure water supply system of excellent performance with the help of advancedtechniques of automation,monitorcontrol system。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗比較小。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的1/31/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。我國泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等等原因，致使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。 PLC的發(fā)展和應(yīng)用世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(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)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。PLC在I/O處理方面必須遵守的規(guī)則如下：①輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)；②程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)；③輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。CPU通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。它存儲的內(nèi)容是易失的，掉電后內(nèi)容丟失；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，用戶程序可以保存在只讀存儲器EEPROM或由高能電池支持的RAM中。PLC通過PC/PPI電纜或使用MPI卡通過RS485接口與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。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。由于這類負(fù)載很多，約占交流電動(dòng)機(jī)總?cè)萘康?0%～30%，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動(dòng)等引起的偏差。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機(jī))上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(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，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。(7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2．單片微機(jī)電路控制方式這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 工作原理合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。開始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0Hz。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。圖中的HL12為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。如果PLC接到頻率下限信號，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。同時(shí)，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。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)。器件地址功泵工/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T38工頻泵減泵判斷時(shí)間控制供水運(yùn)行下限頻率、供水運(yùn)行上限頻率由變頻器程序設(shè)定。輸入輸出點(diǎn)/代碼及地址編號表2名因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，節(jié)省了人力，提高了供水質(zhì)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)無人值班，節(jié)約管理費(fèi)用。目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(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(EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。 稱代水位下限故障邏輯故障結(jié)束脈沖信號 能VB400變頻工作泵的泵號(3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下：(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺水泵。 手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式?；馂?zāi)時(shí)，火災(zāi)信號SA1被觸動(dòng)。（1）主電路圖。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。那么何時(shí)進(jìn)行切換，刁能使系統(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。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。②報(bào)警信號:它反映系統(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。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。3．帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。(2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。 PID控制接線圖隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下就可啟動(dòng)，電流平滑無沖擊，減少了啟動(dòng)電流對馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。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。外部連接的電源，通過PLC內(nèi)部配