【正文】 進(jìn)行 設(shè)計(jì)時(shí) 都會(huì)在 電機(jī)選型上留有一定的余量，電機(jī)的 轉(zhuǎn)速通常 是 保持 不變的 ，但在 具體 使用過程中，有時(shí)要以較低或者較高的速度運(yùn)行，因此進(jìn)行變頻改造是非常有必要的。變頻器的選擇必須 依 據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行 適當(dāng) 選擇。 MicroMaster440 變頻器的適用于要求高、功率大的 情形 ，恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。 由此 推 出一個(gè)壓力和電壓或電流的 線性 關(guān)系式 。 三、液位變送器的選型 。在 工作工程 中， 若 壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障，系統(tǒng) 則 有可能開啟所有的水泵， 而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的 壓力升高 ，為了 避免 爆管和超高水壓損壞 居民 的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字 信號(hào) 輸入， 若 壓力超 過 上限， 則會(huì) 關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 63 頁 壓力變送器的選型 一、壓力變送器定義和分類 壓力變送器 一般由 測量電路 、過程連接件和測 壓 元件 傳感器三 模塊 組成。 依據(jù) 控制功能 區(qū)別 ，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器 、 普通功能型 U/f 控制變頻器、以及矢量控制高功能型變頻器是通用變頻器 3 個(gè)基本組成部分。 四、 變頻器的基本組成部分 整流單元、高容量電容、 逆變器 和控制器 4 個(gè) 部分 組成了變頻器 。 注意使用場合和使用條件才 能 正確 運(yùn) 用 ， 反之 就是盲 目跟 從、 不注重實(shí)際 。 變頻不是 處 處可以省電， 且 有 許多 場合用變頻并不一定能省電。把直流電（ DC）變換為交流電（ AC）的裝置，術(shù)語 稱之為 為“inverter”(逆變器 )。 三、 變頻器的節(jié)能 變頻節(jié)能 、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能和軟啟動(dòng)節(jié)能這三個(gè)方面 的節(jié)能構(gòu)成了 變頻器節(jié)能 的內(nèi)容。 利用基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 63 頁 電壓型 PWM 逆變器為 例表示出 關(guān)斷 時(shí)間 及 電壓波形。將電流源的直流變換為交流的變頻器 屬于 電流型， 電感是該 直流回路濾波。 依據(jù) 控制系統(tǒng) 具體 所需端子數(shù) 量 ，考慮 PLC 端子數(shù) 量需要有 一定的預(yù)留量， 所以 主模塊 是 CPU226。 五、西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司 擁有 品種 十分充裕 的 PLC 產(chǎn)品。更高的運(yùn)算速度、 更 小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾 能力 、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及 較高 的性價(jià)比奠定了它在 當(dāng)今控制領(lǐng)域 中的 重要 地位。 (4)系 統(tǒng) 建造的周期大為縮短 ，維護(hù) 相對簡單 ，改造 十分容易。 假使 輸入 信號(hào) 是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度 必須得超過 一個(gè)掃描周期 ， 這樣 才能 確保 在任何情 形 下，該輸入 信息都能 被 準(zhǔn)確 讀入。它 采取 的存儲(chǔ)器 能夠 編制程序， 該存儲(chǔ)器可在其內(nèi)部存儲(chǔ)單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算 、計(jì)時(shí)、算術(shù)運(yùn)算等 功能 的指令， 且可以利用設(shè)計(jì) 數(shù)字式或模擬式的輸入 、 輸出，完成 控制 不同種類 的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 5033120xx，節(jié)錄如表 32。 此外 ，具體 供水 水壓 超調(diào)的 現(xiàn)象 以及 機(jī)組 的干擾使實(shí)際壓力的測量值 出現(xiàn)峰值 ，這兩種 條件 都可能在短時(shí)間內(nèi)滿足機(jī)組切換的判別條件。這個(gè)頻率在 具體情形 中就是電機(jī) 運(yùn)行 的下限頻率。 (3) 若實(shí)際 用水量 持續(xù)升高 ，變頻器的輸出頻率 等于 上限頻率時(shí)， 若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 還未達(dá)到設(shè)定 水壓 ， 而 且 達(dá)到 增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時(shí)，變頻基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 63 頁 循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將 會(huì) 在 PLC 的控制下自 行 投入水泵 M2 進(jìn)行變速工作 ，同時(shí)變頻泵 M1 作 工頻 運(yùn)行 ，系統(tǒng) 恢復(fù) 對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié) 控制方式 ，直 至 水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以 系統(tǒng) 出口管網(wǎng) 水壓 為控制目標(biāo)，在控制上 達(dá)到 出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水 壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。信號(hào) 正常 時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng) 進(jìn)行相應(yīng)的 保護(hù)控制，以 避免 水泵 出現(xiàn) 空抽 現(xiàn)象 而 導(dǎo)致 電機(jī)和水泵 損壞 。該系統(tǒng)能 滿足 各類 不同要求的恒壓供水 情形 ，并且與供水機(jī)組的容量 范圍沒有任何關(guān)系 。 該控制系統(tǒng) 雖然 簡化了電路結(jié)構(gòu)， 降低 了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值 兩方面的顯示過程中又太過繁瑣 ， 不能 自動(dòng) 滿足各個(gè) 時(shí)段的不同恒壓 需 求， 進(jìn)行 調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu) 環(huán)節(jié)比較復(fù)雜 ，調(diào)節(jié) 幅度相對較 小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能 很難得到 保證。 以下重點(diǎn) 分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根本實(shí)質(zhì) 是通過 控制管網(wǎng)中 的阻力大小來改 變流量，因此，管阻 隨著 閥門開度的 改變 而改變， 而 揚(yáng)程特性 保持 不變。 圖中 揚(yáng)程曲線和管阻特性曲線的交 匯 點(diǎn)， 叫做 供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 21 中 A 點(diǎn)。變頻調(diào)速技 術(shù) 是基于 交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù) 的 一 類先進(jìn)科學(xué)技術(shù) ，它利用自身完美獨(dú)特的控制魅力征服了整個(gè)速度控制領(lǐng)域 ， 尤其在供水行業(yè) 。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 63 頁 變頻恒壓供水的應(yīng)用 基于 PLC 技術(shù)與變頻調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)的智能恒壓供水控制系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的供水技術(shù)更為先進(jìn)，更有運(yùn)行安全、操作簡單、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高、使用壽命長等特點(diǎn)，所以在實(shí)際的使用中也越來越廣泛，如在以下方面： （ 1）在家庭用水系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠保證在生活用水高峰期有穩(wěn)定的用水壓力、流量，也能夠在用水低峰期時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水壓強(qiáng)度。 （ 2）占用空間小，不會(huì)造成空間上的浪費(fèi)。同時(shí)它可以調(diào)節(jié)供水管道的供水壓力，從而減少水壓對管道的沖擊。但是我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)普遍沒有跟上生活水平的快速進(jìn)步，如城市供水系統(tǒng)等。 5 結(jié)束語和展望 ........................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究成果 ........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 根據(jù)城市居民用水標(biāo)準(zhǔn)為前提和小型自來水廠的供水要求，自行設(shè)計(jì)了基于 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r ................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 PID 參數(shù)整定 ..................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 63 頁 1 緒論 選題的背景 自從改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民生活水平快速提高。變頻調(diào)速技術(shù)具有能夠自動(dòng)化地根據(jù)需要來調(diào)節(jié)供水壓力，它更加節(jié)約了資源更節(jié)省了運(yùn)行成本。 變頻恒壓供水的特點(diǎn) （ 1）節(jié)約資源，比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)節(jié)約百分之五十至七十的電量，正式國家所倡導(dǎo)的綠色科技。大大 減少了人力成本。 過去的 供水 模式 占地 相對較 大，水質(zhì) 十分容易被 污染，基建 成本高 ， 而最為不足之處是無法維持水壓恒定 ， 導(dǎo)致許多設(shè)備不能處于正常工作狀態(tài) 。因此，管阻特性 表征的 是揚(yáng)程 H 與供水流量 Qc 之間的關(guān)系 曲線 H=f(Qc)。閥門控制法 原理是通過控制閥門開度來控制流量大小，系統(tǒng) 電機(jī)轉(zhuǎn)速 保持不變 。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了 獲得較大的調(diào)速范圍而一般選取 串級(jí)調(diào)速的 辦法 ， 該方法 最大 好處就是能夠循環(huán)利用 轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果 更為突出 ，且調(diào)速性能 優(yōu)越 ，但 因?yàn)?線路 結(jié)構(gòu)太過繁瑣 ，增加了 線路 環(huán)節(jié)的電能損 耗 ，成本高 的缺點(diǎn)嚴(yán)重了 影響它的推廣價(jià)值。 依據(jù) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的 要求，有以下幾種方案可供 參考 ： (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) 相對比較簡單 ，將 PID 調(diào)節(jié)器 與 PLC 等硬件集成在變頻器供水基板上， 采取 設(shè)置指令代碼 完成 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的 功能 。 并且基 于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高 特點(diǎn) ，因華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 63 頁 此系統(tǒng)的可靠性大大 改善 。 此外 為 改善 系統(tǒng)的可靠性，還需對供水 管網(wǎng) 的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表實(shí)施 檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC， 當(dāng)作 數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào) 表征 水泵的進(jìn)水水源是否 充裕 。由于 該 系統(tǒng) 可適應(yīng) 于 各種 供水領(lǐng)域，所以為了 確保 系統(tǒng)安全、可靠、 穩(wěn)定 的運(yùn)行 性能 ， 避免 因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對 各種 報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測 分析 ，由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和 不同的 保護(hù)動(dòng)作控制， 從而避 免造成不必要的損失。反之， 若 用水量 降低 水壓增加時(shí)， 利用 壓力閉環(huán) 系統(tǒng) ，減小水泵的轉(zhuǎn)速 且會(huì)達(dá) 到另一個(gè) 相對穩(wěn)定的 值。 事實(shí)上 ，在實(shí)際 情況 中，變頻器輸出頻率是不可能降 至 0HZ， 因此 當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng) 水泵 組給用戶 管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中 水壓 會(huì) 產(chǎn)生 反 作用而作用于 水泵，給 驅(qū)動(dòng) 水泵運(yùn)行電機(jī)一個(gè)反向的力矩， 并且該 水壓也阻 礙 源 了 水池中的水 順利地 進(jìn)入 用戶 管網(wǎng)，因此， 若 電機(jī)運(yùn)行頻率下降到 某個(gè) 值時(shí)，水泵 其實(shí)已經(jīng)根本 抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。 該運(yùn)行狀況 既無法 為供水系統(tǒng) 提供 穩(wěn)定可靠的壓力， 更 使得機(jī)組 頻繁的進(jìn)行切換 而增大 機(jī)械 損耗 ， 縮短了機(jī)組設(shè)備使用 壽命。 表 31 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn) 住宅類型 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標(biāo)準(zhǔn)（ 3m /人日） 小時(shí)變化系數(shù) 1 僅有給水龍頭 ～ ～ 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備 ～ ～ 3 有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備 ～ ～ 4 有給水衛(wèi)生器具，有無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng) ～ ～ 2. 供水規(guī)模換算表。 1987 年 國際電工會(huì)員會(huì) （ International Electrical Committee）頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下 解釋 ： “PLC 是一種 產(chǎn)生于特定 工業(yè) 運(yùn)行條件 下 的 數(shù)字運(yùn)算操作的電子 自動(dòng)控制 裝置。 即使在兩個(gè)階段 輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù) 產(chǎn)生了改變 ， I/O 映 像 區(qū)中的 對應(yīng) 單元的華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 63 頁 信息 也不會(huì) 發(fā)生改變 。 (3)方便學(xué)習(xí)與應(yīng)用 ， 被廣大 工程技術(shù)人員 所 接受。 20 世紀(jì) 70 年代中末期，可編程控制器 進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用發(fā)展階段 ，計(jì)算機(jī)技術(shù)已 經(jīng)全方面被應(yīng)用到 可編程控制器，使其 結(jié)構(gòu) 功能發(fā)生了 巨大 飛躍。 日 前， PLC 在國內(nèi)外已 普遍使 用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文 化娛樂等 不同 行業(yè)，被稱為現(xiàn)代 控制 技術(shù)的三大 砥柱 之一。 SIEMENS 公司的 PLC 具 備 高可靠性，擴(kuò)展性 較高 ，又 擁有比 較 齊全 的通信指令 系華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 63 頁 統(tǒng) ，且通信協(xié)議 十分 簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 能夠與工業(yè)控制用的 計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)進(jìn)行連接 ，對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行 一定的 監(jiān)測 與控制 。 第一、 主電路 為 電力變換部分 ，他為 異步電動(dòng)機(jī) 提供 了 調(diào)壓調(diào)頻電源，變頻器的主電路大體上可分為兩類：將電壓源的直流變換為交 流的變頻器 屬于電壓型 ，電容 是該 直流回路的濾波。 （ 3） 逆變器 與 整流器 所相比 ，逆變器是將直流 性質(zhì)的電流 變換為 需要的 頻率的交流 性質(zhì)的電流 ， 在已經(jīng) 確定的時(shí)間使 6 個(gè)開關(guān) 元件進(jìn)行 導(dǎo)通、關(guān)斷就 能夠獲得 3 相交流輸出。 （ 5）保護(hù)電路：當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常 時(shí)，令 逆變器工作停止或抑制電壓、電流值 ，測量 主電路的電壓。該設(shè)備首先 需 把電源的交流電變換為直流電（ DC）， 這樣做的目的 為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，這個(gè)過程叫整流。變頻器設(shè)備 中 產(chǎn)生變化的電壓或頻率裝置叫“inverter”， 所以 該產(chǎn)品被命名為 “inverter”， （ 即變頻器 ）。 徹底了解 了 本質(zhì) ， 就能 巧妙的利用他為你服務(wù)。變頻器 能完成 補(bǔ)償功率因素 、 電機(jī)軟啟動(dòng)、通過改變設(shè)備輸入電壓頻率達(dá)到節(jié)能調(diào)速的 宗旨 ，而且能給設(shè)備提供過流、過壓、過載等保護(hù)功能。 該 系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控 功能 ，所以變頻器還應(yīng) 具備 通訊 特性 。 此外 選擇西門子的變頻器 能夠 通過RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更 方便 設(shè)備之間的 互通 。 三、壓力變送器的選型 壓力變送器 一般安裝 在泵站的出水口， 作用是 檢測管網(wǎng)中水壓，壓力傳感器和壓力變送器將水管中的水壓變化 轉(zhuǎn)化 為 相應(yīng)電子 信號(hào)，作為模擬 量 輸入模塊的輸入， 進(jìn)行選擇時(shí)一般 采用 4~20mA 輸出壓力變送器， 這樣可以避免 傳輸過程中的干擾與損耗