【正文】 下限頻率 sP ： 設定壓力 fP ： 反饋壓力 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 19 3 系統(tǒng) 的 硬件設計 系統(tǒng)主要設備的選型 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報 警 、 控 制等 量 輸 出人 機 界 面上 位 機 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 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)的主要硬件設備應包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴展模塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機組、 (4) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵 M3關掉。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結構框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 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，并將其轉換為 4—20mA 的電信號 ，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 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)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是由一組水 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成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 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。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。此時水泵輸出功率正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以當用閥門控制流量時，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。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 10 水的。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，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 Qu 間的關系H=f(Qu)。 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，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產(chǎn)機器。 S7200 有 5 種 CPU模塊，最多可擴展 7 個擴展模塊，擴展到 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) 先進的程序結構，功能強大、使用方便的編程軟件； (3) 靈活方便的尋址方法； 山東科技大學 學士學位論文 緒論 7 (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)上技術支持等。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。限于當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。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。 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)速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。 山東科技大學 學士學位論文 緒論 3 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、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發(fā)展。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術簡單、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。 本系統(tǒng)包含三臺水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。通過工控 機與 PLC 的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。 (5) 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 4 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。從 20 世紀 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的基于 VVVF 技術的通用變頻器已商品化并廣泛應用。隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能 效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構成最多 7 臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。 20 世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行 PID 運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 根據(jù)公式可 知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。 在供水系統(tǒng)中，通 常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。 由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。系統(tǒng)主要的任務是利用恒壓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起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)進行傳輸和監(jiān)控。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉換。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。 (2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩(wěn)定值。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。在極 端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 18 時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少， 因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計 21 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量?？焖匐娏飨拗茖崿F(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。 SFL 型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，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。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。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)。如果轉向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉向。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)。 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。當 輸出 1 時，水池水位上下限報警指示燈 HL7 點亮；當 輸出 1 時，變頻器故障報警指示燈 HL8 點亮；當 輸出 1 時，白天供水模式指示燈 HL9 點亮；當 輸出 1 時，報警電鈴 HA 響起；當 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。 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。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)結合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 表 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 過程變量標準化值 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 VD108 PID 計算值 故障結束脈沖信號 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 復位當前變頻泵運行脈沖 VD204 變頻運行頻率下限值 當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 VD250 PID 調(diào)節(jié)結果存儲單元 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VB300 變頻工作泵的泵號 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VB301 工頻運行泵的總臺數(shù) 泵工頻 /變頻轉換邏輯控制 VD310 變頻運行時間存儲器 故障信號匯總 T33 工頻 /變頻轉換邏輯控制 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉換邏 輯控制 T35 工頻 /變頻轉換邏輯控制 山東科技大學