【正文】 制算法在供水系統(tǒng)的設計中，選用了含PID調節(jié)的PLC來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。3泵的運行控制情況與2泵相似，在此就不再重復。(6) 報警及故障處理程序本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。(2) 增、減泵判斷和相應操作程序當PID調解結果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應的泵變頻啟動脈沖信號。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。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、。水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；，白天供水模式指示燈HL9點亮；，報警電鈴HA響起；，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。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得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。圖中SA為手動/自動轉換開關，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)。如果轉向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向。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的熱繼電器FR實現(xiàn)。本設計要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標準電信號（4~20mA電壓信號），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警信號，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，葉輪、導葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，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；采用低進低出的結構設計，水力模型先進，性能更可靠。它采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內置的RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。若出現(xiàn)時就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機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工作頻率的限制，50HZ成為頻率調節(jié)的上限頻率。 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)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設定壓力的偏差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調速運行狀態(tài)。根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，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)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇[9]，本設計中采用前者。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；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)。 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、水泵機組以及低壓電器組成。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。下面重點分析改變電源頻率調速的方法及特點。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。這標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增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐[4]。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。20世紀80年代初，日本學者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。(4) 液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結構簡單明了，維修方便。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。（3）0~24小時內可任意設置定時輪換或開機關機；當從水井抽水或從泵部以下水池抽水時可設真空引水罐或引水箱，并對引水進行自動控制，引水停水是自動停機，恢復時自動復機等。在對系統(tǒng)方案全面考慮后，每名學生可選擇一個子系統(tǒng)作為專題設計，并在開題報告中明確專題內容，報經(jīng)設計指導教師批準。每名學生在系統(tǒng)方案設計時，均應對供水系統(tǒng)進行全面考慮，設計方案應具有各自的特點，不應雷同。（2）故障自檢、自顯、報警功能，保護功能齊全。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構成。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應用于高層建筑。1964年，最先提出把通信技術中的脈寬調制PWM技術應用到交流傳動中的是德國人。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、正反轉控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護功能?？梢钥闯?，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 本課題的主要研究內容本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，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值。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。變頻調速供水方式屬于轉速控制。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。(2) 信號檢測機構：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、水池水位信號和報警信號。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉換模塊轉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，從而控制電動機的轉速，進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，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。： 本系統(tǒng)主要硬件設備清單主要設備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）Siemens CPU 226模擬量擴展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y100、XMT1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司) PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。它是用于三相交流電動機調速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。根據(jù)本設計要求并結合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機組（電機功率75KW）。 液位變送器選型考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。初始運行時，必須觀察電動機的轉向，使之符合要求。單刀雙擲開關SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。同理，3水泵的控制原理也是如此。(5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。4 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件設計分析硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結合泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下：(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，需啟動第二臺水泵。(3) 程序的結構及程序功能的實現(xiàn)由于模擬量單元及PID調節(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。該軟件的SIMATIC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[14]。在初始化后緊接著要設定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。產(chǎn)生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當前3泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。泵為例的變頻運行控制流程圖，泵為例的工頻運行控制流程圖。 初始化子程序SBR_0梯形圖(2) PID控制中斷子程序首先將由AIW0輸入的采樣數(shù)據(jù)進行標準化轉換，經(jīng)過PID運算后，再將標準值轉化成輸出值，由AQW0輸出模擬信號。相應的傳遞函數(shù)形式： PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調節(jié)規(guī)律如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。數(shù)字PID控制算法是通過對式()離散化來實現(xiàn)的。 恒壓供水系統(tǒng)結構框圖由于本設計對壓力控制的要求較高，故選擇PI控制器，其傳遞函數(shù)為： （）本系統(tǒng)可近似為帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設其過程傳遞函數(shù)為；變頻器可近似為一個比例環(huán)節(jié)，即；反饋回路傳