【正文】 ， 作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通 過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào) 。 。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)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(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào) ； 輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 主要 設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3 臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)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 ) 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 20 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。 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(lái)滿(mǎn)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(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) 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(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 16 器的輸入信號(hào)，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(hù)供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻 調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制 ； 變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括 管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水 位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)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(mén)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(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門(mén)在某一開(kāi)度下?lián)P程 H 與流量 Q 之 間的關(guān)系 曲線， 如圖 所示 。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(jí)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(guò)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(jià)值。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是 世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)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。可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)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)控制研究山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 5 得不夠。在早期，由于國(guó)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(dòng)控制 以及 制動(dòng)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(dòng)中的是德國(guó)人。 (3) 水塔高位水箱供水 具有控制方式簡(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 2 或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 關(guān)鍵詞 ：變頻調(diào)速， 恒壓供水 ， PLC， 組態(tài)軟件山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ABSTRACT ABSTRACT According to the requirement of China39。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)等構(gòu)成。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源 ；效率低 ； 可靠性差 ； 自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。在我國(guó)， 60%的發(fā)電量是通過(guò)電動(dòng)機(jī)消耗掉的，因此如何利用電機(jī)調(diào)速技術(shù)進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國(guó)家和業(yè)界人士的重視。這類(lèi)設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制 [3]。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義 :“ PLC 是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 6 和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來(lái)說(shuō)，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面 單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易 。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。閥門(mén)控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成 正 比，即 ： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。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 [8]： (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(jiǎn)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(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。同時(shí)由于 PLC 的抗 干山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 13 擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水 水源是否充足。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由 PLC 判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。 反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。 如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī) 組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中， 實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性?xún)r(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng) 。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場(chǎng)合 ，恰好其輸出信號(hào)能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。 它可以輸送清水及理化性質(zhì)類(lèi)似于水的無(wú)顆粒、無(wú)雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等 。 綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為 DS26 分體式液位變送器，其量程為： 0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測(cè)量 ；零點(diǎn)和滿(mǎn)量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號(hào)：兩線制 4~20mADC 精度等級(jí)： 級(jí)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi)主電路 (如直接使 熔 斷 器或隔離開(kāi)關(guān) 斷開(kāi) )，而必須通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺(tái)水泵的啟 /停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運(yùn)行。只有當(dāng) SB2按下時(shí)才會(huì)切 斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍 接線圖 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 28 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。 表 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱(chēng) 代 碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 供水模式信號(hào) (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號(hào) SLHL 變頻器報(bào)警信號(hào) SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 29 號(hào) 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號(hào) 水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 白天模式運(yùn)行指示 燈 HL9 報(bào)警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號(hào) Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫(huà)出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖 所示： 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1