【正文】 行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵機組)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)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。(2) 信號檢測機構(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、水池水位信號和報警信號。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。所以調(diào)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。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)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(guān)系曲線。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值。 本課題的主要研究內(nèi)容本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)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(jìn)行遠(yuǎn)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。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。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器?？梢钥闯觯壳霸趪鴥?nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，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。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、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護(hù)功能。1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中的是德國人。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟(jì)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(hù)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(yīng)用于高層建筑。(2) 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(hù)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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻調(diào)速技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機控制理論的發(fā)展。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究與現(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。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)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時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。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。S7200有5種CPU模塊，最多可擴(kuò)展7個擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到248點數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間；(2) 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強大、使用方便的編程軟件；(3) 靈活方便的尋址方法；(4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面；(5) 有競爭力的價格；(6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q u間的關(guān)系H=f(Qu)。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。此時水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當(dāng)用閥門控制流量時，有正比于(H1－H0)Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖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(diào)節(jié)系統(tǒng)，：從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。：恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3關(guān)掉。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。實際的機組切換判別條件如下[11]：加泵條件： 且延時判別成立 ()減泵條件： 且延時判別成立 ()式中： ：上限頻率 ：下限頻率 ：設(shè)定壓力 ：反饋壓力3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，： 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分：(1) PLC及其擴(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。由于本設(shè)計中PLC選擇的西門子S7200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。本設(shè)計的要求為：電動機額定功率75KW，177。壓力表測量范圍0~1Mpa，；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。PLC主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：(1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。KM2線圈得電，1水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現(xiàn)KMKM1的電氣互鎖。(4) 三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能，對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加1的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時間控制VD108PID計算值故障結(jié)束脈沖信號VD112比例系數(shù)Kc水泵變頻啟動脈沖(增泵)VD116采樣時間Ts水泵變頻啟動脈沖(減泵)VD120積分時間Ti倒泵變頻啟動脈沖VD124微分時間Td復(fù)位當(dāng)前變頻泵運行脈沖VD204變頻運行頻率下限值當(dāng)前泵工頻運行啟動脈沖VD208變頻運行頻率上限值新泵變頻啟動脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運行泵的總臺數(shù)泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運行時間存儲器故障信號匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 PLC程序設(shè)計PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7MicroWINV40編程軟件開發(fā)。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1水泵為例進(jìn)行說明。最后再設(shè)置定時中斷和中斷連接。 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為： （）式中：Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。自從計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機代替模擬調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。本系統(tǒng)是一個單閉環(huán)系統(tǒng)。 ， 142