【正文】 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 [1]。 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 目前， PLC 在小型化、大型化、大容量、強(qiáng)功能等方面有了質(zhì)的飛躍。 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理 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： ? ?spf ?? 1n 60 () 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動(dòng)機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水會(huì)不足。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低，用水量小時(shí)，水壓升高。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一個(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個(gè)，一般消防用水的水壓要高一些。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律問題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例 積分 微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID調(diào)節(jié)器。 (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)的判別條件是通過對上面兩個(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。 表 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號 名 稱 代碼 地址編號 輸入信號 手動(dòng)和自動(dòng)消防信號 SA1 X0 水池水位下限信號 SLL X1 水池水位上限信號 SLH X2 變頻器報(bào)警信號 SU X3 消鈴按鈕 SB9 X4 試燈按鈕 SB10 X5 遠(yuǎn)程壓力表模擬量電壓值 Up 模擬量輸入模塊電流通道 輸出信號 1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM1， HL1 Y0 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM2， HL2 Y1 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM3， HL3 Y2 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM4， HL4 Y3 3泵工頻運(yùn) 行接觸器及指示燈 KM5， HL5 Y4 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM6， HL6 Y5 生活消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥 YV2 Y10 水池水位下限報(bào)警指示燈 HL7 Y11 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 Y12 火警報(bào)警指示燈 HL9 Y13 報(bào)警電鈴 HA Y14 變頻器頻率復(fù)位控制 KA Y15 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 控制變頻器頻率用電壓信號 Vf 模擬量輸入模塊電壓通道 從表 可知系統(tǒng)共需開關(guān)量輸入點(diǎn) 6 個(gè)、開關(guān)量輸出點(diǎn) 12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn) 1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)。 圖 為日本安川變頻器 CIMRP5A45P5 在電路中的接線圖。變頻器端子的 19端和 20端是傳感器 壓力設(shè)定的上、下限值，該信號進(jìn) PLC，作為工頻切換的控制信息，由 PLC控制水泵的工頻或變頻運(yùn)行。 壓力傳感器選用 YTZ150 型帶電接點(diǎn)式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為 0～1MPa，檢測精度為177。接觸器KM KM KM5 分別控制 M M M3 的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制M M M3 的變頻運(yùn)行；主電路中采用低壓自動(dòng)空氣隔離開關(guān)，它本身具有短路過載保護(hù)，所以不需要分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)使用熱繼電器，其中 QS QS QSQS4 分別為變頻器和三合泵 電機(jī)主電路的低壓斷路器； FU1 為主電路的熔斷器。該方式主要供檢修及變頻器故 障時(shí)用。 輸出端子 輸出設(shè)備 輸出端子 輸出設(shè)備 輸出端子 輸出設(shè)備 Y0 KM0 Y5 KM5 Y13 HL4 Y1 KM1 Y6 KM6 Y14 HL5 Y2 KM2 Y10 HL1 Y15 HL6 Y3 KM3 Y11 HL2 Y16 HL7 Y4 KM4 Y12 HL3 Y20 STF 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 PLC 的接線圖 變頻器 變頻器的構(gòu)成 變頻器構(gòu)成圖如圖 所示，通常由變頻器主電路（ IGBT、 BJT、或 GTO 作逆變元件）給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源?？捎脙山M晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn) [13]。如圖 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓 /電流檢測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及 逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn) : (1)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達(dá) 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 35%— 60% ，這一特點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)識并帶來效益 (2)占地面積小，投人少，效率高： 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護(hù)方便維護(hù)費(fèi)用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝 (3)配置靈活，功能齊全， 自動(dòng)化程度高。手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問題 [16]?？筛鶕?jù)需要，停按不同電機(jī)對應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺水泵。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行。 圖 1泵、 3泵啟動(dòng)程序 如圖 所示，再次接收到變頻器上限信號，則 KM1 斷開 KM2 吸合，第 2水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行， 3水泵變頻起動(dòng)。如果按鈕 SB9。 圖 下限信號 1泵啟動(dòng)程序 如圖 所示，接到下限信號就關(guān)閉 KM KM0，吸合 KM1，只剩 1水泵 變頻運(yùn)行。 降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系 統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 自動(dòng)控 制部分 由 PLC分別控制某臺電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制。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。 (5)通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力 [15]。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電壓吸收脈動(dòng)電壓（電流）。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正常后，系 統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng) 1泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 電控系統(tǒng)主電路 控制電路 為保證系統(tǒng)的可靠性，必須提供工頻 /變頻兩種操作方式，以減少因變頻器故障或 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 設(shè)備檢修維護(hù)等原因而造成無法供水的現(xiàn)象，要求控制系統(tǒng)必須設(shè)立手動(dòng)工頻操作方式，一般采用轉(zhuǎn)換開關(guān)或組合開關(guān)作為選擇操作設(shè)備 [12]。 SB 的選則 按鈕均選用 LAY3— 11 型， PLC 各輸入點(diǎn)的回路的額定電壓直流 24V，各輸入點(diǎn)的回路的額定電流均小于 40mA，按鈕均只需具有 1 對常開觸點(diǎn)，其主要技術(shù)參數(shù)為：UN=24VDC， IN=，含 1對常開和 1對常閉觸點(diǎn)。 其它元件的選型 電機(jī)選用 JO2514 型功率為 三相異步電動(dòng)機(jī)，其滿載電流為 ,額定電流 7A,額定電壓 380V，轉(zhuǎn)速 1450 轉(zhuǎn) /分、效率為百分之 。 變 頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A45P5 產(chǎn)主機(jī)單元 FX N2 32MR 模擬量 輸入模塊FX N2 4N 模擬量輸入 FX N2 2N R S T S1 U S2 V S3 W VVVF FI FC M1 M2 M3 M4 接 PLC 接 PLC 接指示燈 接 電 機(jī) ~380V 7 8 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 品，適配電機(jī) 10kW，該變頻器基本配置中帶有 PID 功能。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。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 [10]。 當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(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)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的 [8]。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過 D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終 使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn) 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 變頻恒壓供水。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其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。 (2)信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報(bào)警信號。 (2)接收傳感器送來的管網(wǎng)水壓的實(shí)測值。 系統(tǒng)以變頻器、 PLC作為系統(tǒng)控制的核心部件，以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以 PID為控制算法，和變頻器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機(jī)供電。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。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。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，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用 [2]。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。以變頻器為核心結(jié)合 PLC 組成的控制系統(tǒng)具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，組合靈活，變成簡單，維修方便和低成本低能耗等 諸多特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速， PLC，恒壓供水，節(jié)能 長沙學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) II ABSTRACT According to the requirement of residents living water and Fire water, this paper designs a set of water supply system of frequecey control of constant voltage based on PLC, and have developed good operation management interface using Supervision Control and Data system is made up of PLC, transducer,units of pumps,pressure sensor and control machine and so on. This system is formed by three pu