【正文】 由此可知 ，即 便連續(xù) 在額定壓力以上使用也不會損壞。 （ 6） 同一個供水系統(tǒng)所配用的水泵揚(yáng)程要相同，主泵之間的供水流量最好相同，副泵供水流量與主供水泵的流量之比最好不大于 1/3。 （ 1） PLC 部分設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴(kuò)展模塊 EM235 AIW0 EM235 模擬量輸入通道 1，接一精密電位器； 20 AQW0 EM235 模 擬量輸出通道 1，接 MM440 的端口 3 和 4。 19 3) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨(dú)立的 30kHZ 的高速計數(shù)器、兩路獨(dú)立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點(diǎn) 對點(diǎn)接口 PPI 通信協(xié)議、多點(diǎn)接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設(shè)計需求。 。 PLC 及其擴(kuò)展模塊選型 PLC 特點(diǎn)及性能指標(biāo) （ 1） PLC 的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，反之越強(qiáng)，引起系統(tǒng)振蕩。 變頻器頻率 給定方式 有 3 種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （ 1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下），如圖 所示。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時間接近，防止個別供水泵運(yùn)行時間過長損耗，而有的泵因長時間不用而銹死，從而有效的延長了設(shè)備的壽命。變頻器根據(jù)供水控制器送來的控制信號來改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 結(jié)合以上要求可知此次設(shè)計宜采用 PLC 控制變頻恒壓 的 供水系統(tǒng) ， 主要 由 變頻器、可編程控制器、壓力 傳感器 和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有 4 臺水泵 （ 3 臺水泵為常規(guī)供水泵， 1 臺為輔助泵） ，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下 做 變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。在早期，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時均采用一臺變頻器帶動一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎 沒有一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組工作的情況，因而投資成本很高。下面對幾種供水方式進(jìn)行介紹 (1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng)：這種供水方式下，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶。 南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： 基于 PLC 的恒壓供水泵站系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 自動化 Graduation Design (Thesis) Design of Constant Pressure Watersupply System Based on PLC By Jia Ruiyong Supervised by Associate Prof. Liu Yunxia Department of Automation Engineering Nanjing Institute of Technology June, 20xx I 摘 要 本設(shè)計以一個城市小區(qū)供水系統(tǒng)作為被控對象，研究基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)，使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)，力求做到使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，解決實(shí)際供水中問題，保證供水安全、快捷、可靠，目前變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國內(nèi)外實(shí)際供水控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，但耗電、耗水嚴(yán)重、水壓不穩(wěn)、供水質(zhì)量不佳，電機(jī)硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。 1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器。 此設(shè)計系統(tǒng)以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，以 PID 為控制算法，和變頻器、水泵、壓力傳感器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3）電控設(shè)備 :它包括一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件。 (5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 主水管網(wǎng)采集到的壓力信號經(jīng) 壓力傳感器與 PLC 的擴(kuò)展模塊 PID 運(yùn)算傳送給變頻器，并給出直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定的信號。管阻特性說明了水泵能量被用來克服水泵系統(tǒng)的壓力及水位差、液體在供水管道中流動阻力的變化規(guī)律。它的工作原理是通過用戶用水需求量的改變自動調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到管網(wǎng)壓力始終保持恒定的目的，用水量減小時電機(jī)減速，用水量增大時電機(jī)加速。 （ 2）外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定信號送給變頻器。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號變化的趨勢做出反應(yīng)，在偏差信號變得過大之前，引入一個有效的早期修正信號到系統(tǒng)中，加快了系統(tǒng)的動作速度，減少 了調(diào)節(jié)時間。 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)上頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做出如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它是衡量 PLC 能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，決定了 PLC 處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。 ( 5) 當(dāng)控制任務(wù)增加時，具有 7 個擴(kuò)展模塊，可以自由擴(kuò)展。 4) 穩(wěn)定時間：電壓 100us，電流 2ms。 整個系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器 380V 三相電源 24V 接地 MA 圖 模擬量擴(kuò)展模塊和 MM440 變頻器接線原理圖 變頻器參數(shù)設(shè)定 使用基本操作面板對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 水泵機(jī)組選型 假如 該 棟小區(qū)有用戶 100戶 ， 樓層高度為 12層，每層 3米 水泵安裝在地下室一樓 地下室三米高， 對 水泵 型號進(jìn)行選擇 ， 因?yàn)榭倶菍痈叨葹?12*3+3=39m， 計算出水壓 頭，也就是出水壓力 ， 現(xiàn)在的規(guī)范要求居民出水壓頭設(shè)計為 15米，建筑總揚(yáng)程在54米。一般最大壓力是額定壓力最 大 值的 2－ 3倍。為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍 ， 半導(dǎo)體壓力傳感器 尤其明顯 。（本課題所考慮的三臺水泵通過變頻器控制工頻 /變頻切換組合運(yùn)行， 另一臺輔助泵協(xié)助運(yùn)行，保障了系統(tǒng)的供水能力）。 變頻器與模擬量擴(kuò)展擴(kuò)展的連接 在恒壓供水電路中，變頻器與 S7200PLC 配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 2) 差分輸入，電壓 0~10V、 0~5V、 0~1V、 0~500mV、 0~100mV、 0~50mV、 ? 10V、? 5V、 ? 、 ? 1V、 ? 500mV、 ? 250mV、 ? 100mV、 ? 50mV 和 ? 250mV；電流：0~20mA。 (3) 與擴(kuò)展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。 。 16 第四章 控制系統(tǒng)硬件電 路設(shè)計 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： 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣控制總框圖可以看出 ,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(jī)組 (4) 壓力傳感器。積分環(huán)節(jié)主要作用在于消除靜差。使用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)如下 (1) 控制電機(jī)的啟動電流； (2) 降低電力線路電壓波動； (3) 啟動時需要的功率更低； (4) 可控的加速功能； (6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限； 12 (7) 受控的停止方式； (8) 節(jié)能； (9) 可逆運(yùn)行控制； (10) 減少機(jī)械傳動部件。因而，揚(yáng)程特性隨水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。因?yàn)樵陂y門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量的值主要取決于用戶的用水量，因此，揚(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu間的關(guān)系 H=f(Qu)。 (4) 采用 “規(guī)律自動切換” 原則 “規(guī)律自動切換”原則指水泵運(yùn)行連續(xù)在某一種控制規(guī)律下時間達(dá)到所設(shè)定時間時自動換泵運(yùn)行。 2）變頻器 :主要作用是實(shí)現(xiàn)對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。 完成 硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O點(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯 形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改。 恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水方式是在變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展以后逐漸發(fā)展起來的。 供水系統(tǒng)發(fā)展歷程 恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)了水箱和水塔或氣罐式增壓設(shè)備等供水方式時，在造成水的二次污染、造成水質(zhì)變差的同時，由于它們必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來提升水量，結(jié)果造成了水泵電機(jī)的 軸功率和能量損耗。 此變頻恒壓供 水系統(tǒng)由水泵機(jī)組，共包括四臺水泵電機(jī)，其中三臺為常規(guī)水泵，一臺為輔助水泵，其與可編程序控制器、變頻器、壓力傳感器等相關(guān)器件組成了一個變頻循環(huán)運(yùn)行系統(tǒng) 。 (2) 恒速泵 +水塔的供水方式：這種方式是水泵首先向水塔供水，然后由水塔向用戶供水。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度等方面的提高以及其顯著的節(jié)能效果被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外眾多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并生產(chǎn)出一系列具有恒壓供水功能的變頻器，像 日本 Samco 公司， 其 推出 的 恒壓供水基板， 具 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 相關(guān) 硬件集成 到 變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼 就可以 實(shí)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，就可以直接控制各個內(nèi)置的 電磁接觸器工作 ， 可構(gòu)成多 達(dá) 7臺電機(jī) (水泵 )的供水系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)計值偏差變化情況，經(jīng) PLC 進(jìn)行 PID 運(yùn)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 ， 由 PLC 控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機(jī)投運(yùn)臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水 [5]。應(yīng)用于在供水控制器的控制下實(shí)現(xiàn)對水泵的切換、手動 /自動切換等。當(dāng)正在運(yùn) 行的供水泵全速運(yùn)行，但仍未達(dá)到給定壓力值時，切換變頻泵到工頻運(yùn)行，通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。改變閥門開度，實(shí)際上改變的是在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供 水能力。 從流體力學(xué)可得，水泵向管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與出水流量 Q 和管網(wǎng)的水壓 H 的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)水壓 H 與出水流量Q 的平方成正比。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。微分環(huán)節(jié)主要作用是控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。限定了計算機(jī)發(fā)揮運(yùn)算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。 由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個，模擬量輸出點(diǎn) 1 個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊具有 4 個模擬輸入 (AIW)通道， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。首先按下 P 鍵對變頻器進(jìn)行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時的狀態(tài)。流量參看《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》中有詳細(xì)的計算方法。 （ 3 ） 損壞壓力 損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 （ 2） 最大壓力范圍 在 不引起輸出特性永久性改變 的情況下， 傳感器能長時間承受的最大壓力 稱為最大壓力范圍。 （ 5） 根據(jù)實(shí)際供水系統(tǒng)的規(guī)模即所帶負(fù)荷情況，合理確定水泵的臺數(shù)。另外選擇西門子的變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。 (3) EM235：模擬量混合輸入 /輸出 (AI/AO)模塊， 1) 4