【正文】 表 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸入信號 供水模式信號 (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號 SLHL 變頻器報警信號 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泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運行接觸器及指示燈 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 29 號 3泵工頻運行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 變頻器故障報警指示燈 HL8 白天模式運行指示 燈 HL9 報警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 和 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴展模塊外圍接線圖，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1.71.6L1N。只有當(dāng) SB2按下時才會切 斷電路， KM1 線圈失電，電機 M1 停止運行。系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路 (如直接使 熔 斷 器或隔離開關(guān) 斷開 )，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。 綜合以上因素：本設(shè)計選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為 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量 ；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號：兩線制 4~20mADC 精度等級： 級。MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場合 ，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機的輸入信號。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng) 。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。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)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。同時由于 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、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。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)。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。此時的 PLC 為微機技術(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 。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(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)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制 [3]。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源 ；效率低 ； 可靠性差 ； 自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 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。 (3) 水塔高位水箱供水 具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時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，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，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。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 及各種保護功能。 20世紀 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。 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)進行遠程監(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。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， 如圖 所示 。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。 (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。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、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 )進行控制 ； 變頻器是對水泵進行轉(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。 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 泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的 ； 當(dāng) 變頻 泵和工頻泵都在運行且 變頻 泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。 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 型號及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機組 SFL 系列水泵 3 臺（ 上海 熊貓機械有限公司） 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 20 PLC 及其擴展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。它是用于三相交流電動機調(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，具有很高的運行可靠性和很強的功能。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA 電流信號，送給 與 CPU226 連接模擬量模塊山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 23 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 。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。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 27 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 。 (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。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān) SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ； 液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC 程序控制。 系統(tǒng)控 制 電路分析及 其 設(shè)計 系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。 本系統(tǒng) 采用 三泵循環(huán)變頻運行方式 ，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下作變速 運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為16 點 ，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點 ，輸入形式為 +24V 直流輸入。這個頻率遠大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓力上 [10]。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。 當(dāng)用調(diào)速控制時，若采用恒壓 (H0)， 變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，工作點從 E 點移到 D 點。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。 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 8 2 系統(tǒng)的理論分析及 控制方案 確定 變頻 恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調(diào)速原理 水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為 ： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f表示電源頻率， p 表示電動機極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。 20世紀 80 年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。原深圳華為電 氣公司和 成都希 望集團 也推出 了恒 壓供 水專用 變頻器(~22kw)，無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用 “先啟先停 ”的原則。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。隨著改革開放和經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達國家進口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，