【正文】 水泵機(jī)組去運(yùn)行，導(dǎo)致成本過高很多企業(yè)不看好這種技術(shù)。 基于 PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 本論文 設(shè)計根據(jù)陜西科技大學(xué)供水系統(tǒng) 的 供水要求，設(shè)計了一套基于 PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。通過此題目，使學(xué)生掌握作為一個現(xiàn)代電氣工程師所應(yīng)該掌握的基本技能，能獨(dú)立分析問題并確立出合理的設(shè)計方案，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考問題及解決問題的能力，為今后走向工作崗位奠定一定的基礎(chǔ)。 目前我國也有很多的公司在做恒壓變頻供水的工程，它們一般都會采用外國先進(jìn)的變頻器對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對水管的管網(wǎng)壓力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)和循環(huán)控制多臺水泵平穩(wěn)運(yùn)行，它們采用可編程控制器 （ PLC） 、單片機(jī)和它們相應(yīng)的配套軟件予以實現(xiàn)，但是在很多方面都達(dá)不到用戶要求的指標(biāo)，比如系統(tǒng)的動態(tài)性能、抗干擾性能、穩(wěn)定性能和開放性擴(kuò)展性都有一定的局限。在此系統(tǒng)中除了變頻器之外最重要的東西就是 CPU,它相當(dāng)于人的大腦，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制基本都得靠它完成。 (3) 帶 PID回路調(diào)節(jié)器或 PLC的控制方式 該控制方式一般由變頻器、可編程控制器、 PID 回路調(diào)節(jié)器、壓力變送器等組成。供水池水位信號是用來判斷水泵是否可以抽到水的，如果水位過低就無法正常抽到水，這時可能導(dǎo)致水泵和電機(jī)的損壞，所以必須在水池中安裝液位傳感器，使系統(tǒng)保證安全正常的運(yùn)行；報警信號則是為了反映目前系統(tǒng)各部分工作是否正常，如 ：水泵空抽、電機(jī)過載、變頻器工作不正常、軟啟動器不工作等。由于水壓是變化的所以通過這種壓力檢測切換同時也實現(xiàn)了 5臺水泵的循環(huán)工作，這種工作循環(huán)是隨機(jī)的。 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計 9 3 恒壓變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要設(shè)備電路的設(shè)計 PLC 的設(shè)計 可編程控制器（ PLC)作為恒壓變頻供水系統(tǒng)的主要控制器件，其作用非常重要。如果不使用軟啟動器，在電機(jī)切換至工頻運(yùn)行時需要直接接入電網(wǎng)，這時容易造成巨大的沖擊，致使電機(jī)容易損壞；當(dāng)電機(jī)切出時如果直接切斷電源，容易產(chǎn)生“水錘效應(yīng)” [10]。變頻器選擇是通過柜體上的旋鈕來控制的。每個支路上都有各自 xKM2 和 xKM3(x為 17)的常閉觸點，表示各種啟動狀態(tài)不能同時發(fā)生，有互鎖的作用。如果變頻器輸出頻率降至停止頻率以下， RO3=0， 2輔泵切出，變頻器輸 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計說明書 14 出頻率上升，若升至啟動頻率，則啟動 2輔泵，同時由于 PLC檢測到 RO2= RO3=1， 又會啟動 5輔泵；如果變頻器輸出頻率停留在停止頻率和啟動頻率之間，在 4輔泵啟動起來后，PLC 檢測到 RO2= RO3=0， 不再啟動另一臺輔泵。 (4) 自動切換功能（如果使用了并且相對應(yīng)地使用了開關(guān)和接觸器）能夠使各臺泵均攤負(fù)載時間。該系統(tǒng)還應(yīng)該有專門的報警信號，信號傳送給 PLC后其作出判斷和保護(hù)動作，以免造成損失。 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計說明書 6 系統(tǒng) 原理與 組成 系統(tǒng)的組成及原理圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由： 變頻器、可編程控制器、軟啟動器、水泵機(jī)組、壓力變送器組成 [6]。這種方案可以有兩種實現(xiàn)方法：其一是采用 PLC程序控制加變頻器相位檢測切換控制方式，其二可以采用專用變頻器直接完成相位檢測切換和夜間泵變頻工作的方式。 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計說明書 4 2 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計 系統(tǒng)的基本工作原理 變頻器隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，有了很多方面的進(jìn)步，無論是調(diào)速性能還是穩(wěn)定性，節(jié)能性都有了極大地提高。 1960 年以后，電力電子器件普遍采用了晶閘管產(chǎn)品，但是因為調(diào)速性能不是很高，丹佛斯公司生產(chǎn)了第一臺變頻器，隨后就有很多企業(yè)也紛紛效仿，開啟了變頻器的新時代。 其穩(wěn)定安全的運(yùn) 行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。 本系統(tǒng)由可編程邏輯控制器、 2臺軟啟動器、 2臺變頻器、 7臺水泵電機(jī)組成，其中 1臺是夜間低壓狀態(tài)時使用，剩下的 6臺水泵電機(jī)組成循環(huán)運(yùn)行方式。 水是生命之源，用水供水一直是人民的生活生產(chǎn)的基本條件，而供水設(shè)備泵站的功耗巨大，如果我們能提高泵站的效率，降低泵站的功耗，不僅對經(jīng)濟(jì)有重大的意義，而且也符合現(xiàn)在的綠色環(huán)保理念。深圳艾默生電氣公司和成都的希望集團(tuán)都推出過恒壓供水專用的變頻器，該變頻器不需要外接 PID調(diào)節(jié)器和 PLC就可以完成最多四臺水泵的循環(huán)利用，雖然不如丹麥丹佛斯公司的變頻器可以實現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的循環(huán)切換，但是其有定時啟動和停止、定時循環(huán)的優(yōu)點，這是因為其內(nèi)部集成了壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與邏輯控制功能。在這里可利用的 CPU有很多種，在下節(jié)中我會介紹他們各自的優(yōu)缺點以及本設(shè)計中用到的 CPU。由于變頻器功能比較少所以這里只提供一個可變頻率的電源給電動機(jī)，使電動機(jī)實現(xiàn)無級調(diào)速，來控制管網(wǎng)的水壓。這些都是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時檢修。 (2) 變頻器 PFC 調(diào)節(jié)器使用了兩個信號 :給定值和實際的反饋值。它作為系統(tǒng)的大腦，要完成信號的采集、各種輸出單元的控制和恒壓的實現(xiàn)。所以一個好的軟啟動器可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。通過中間繼電器 KA22 來進(jìn)行兩個變頻器的選擇，上電后，系統(tǒng)默認(rèn)為 1變頻器投入，若需要更換變頻器，則調(diào)整旋鈕位置。如果電源與上邊接通表示為自動控制狀態(tài)，自動控制時由 PLC 控制各水泵電機(jī)的運(yùn)行，圖中包含 1KM1~7KM1 的常開觸點，其作用是進(jìn)行自鎖?？刂七^程如下： 在軟啟動器將一臺輔泵啟動起來后，經(jīng)過短暫延時， PLC采集繼電器輸出 2 和繼電器輸出3 的狀態(tài)，如果 RO2=1 且 RO3=1（繼電器動作， 1輔泵和 2輔泵已啟動），則繼續(xù)啟動 3輔泵，這時候如果反饋壓力大于給定值，變頻器輸出頻率將會下降，如果穩(wěn)定在停止頻率以上，此時 RO2和 RO3狀態(tài)不變，在 3輔泵啟動起來后，經(jīng)過延時， PLC再次檢測到 RO2= RO3=1，于是又開啟 4輔泵。 (3) 互鎖功能能夠辨識出未激活（不使用）的電機(jī)，從而 PFC調(diào)節(jié)器跳過這臺電機(jī)，調(diào)用下一臺可使用的電機(jī)。而且軟啟動器還有許多保護(hù)功能，如過載保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)等。 通過對這幾種方案的分析，本系統(tǒng)決定采用第四種控制方式，這種控制方案不僅投資價格合理而且控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性高、數(shù)據(jù)傳輸方便、控制精度高等特點，符合本次任務(wù)的需求。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時，所有水泵配用一臺變頻器，變頻器根據(jù)壓力反饋信號，通過 PID運(yùn)算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的。有鑒于此，本課題的主要任務(wù)包含以下幾個： (a) 設(shè)計恒壓供水控制系統(tǒng)總體方案，滿足工程技術(shù)要求； (b) 設(shè)計控制系統(tǒng)原理圖、接線圖、布局圖等圖紙，使工程人員能夠從原理上理解設(shè)計思想，在施工上便于操作； (c) 參與設(shè)計控制系統(tǒng)程序，滿足控制要求，并盡可能使控制程序完善可靠，具有一定的可擴(kuò)展性； (d) 撰寫相關(guān)的系統(tǒng)說明書，便于工程人員閱 讀操作。在變頻技術(shù)研究的初期，變頻器的應(yīng)用也有一定的限制，因為技術(shù)不是 很全面所以在恒壓變頻供水系統(tǒng)中只能當(dāng)做執(zhí)行器，如果要配合完成系統(tǒng)的各種功能，必須外加壓力控制器和壓力傳感器才可以。由于水泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長水泵和閥門等設(shè)備的使用壽命，也可以消除起動和停機(jī)時的水錘效應(yīng) [1]。設(shè)備運(yùn)行時，壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，將管網(wǎng)水壓信號轉(zhuǎn)變成電信號送入 PLC，由 PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID運(yùn)算，再由 PLC控制著變頻器輸出不同頻率的電源，從而改變水泵電機(jī) 的 轉(zhuǎn)速來改變供水量， 最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。而對于目前我國的情況來說，泵站的 數(shù)量很大，但是由于設(shè)計中沒有考慮到節(jié)能的問題，而且由于國內(nèi)技術(shù)與國外先進(jìn)的水平還是有一定的差距，所以我國電能很大一部分是消耗在這個上的而電能大部分又是由火力發(fā)電產(chǎn)生的。其缺點是帶負(fù)載容量低，而且操作復(fù)雜沒有數(shù)據(jù)傳輸通信功能，因此只能用于容量和控制要求比較低的場所供水。 恒壓控制是控制管 網(wǎng)的水壓保持恒定，使得不論用水量多高都保證水流量足夠大，滿足用水要求。壓力變送器用來采集管網(wǎng)水壓與設(shè)定值進(jìn)行比較然后傳送給可編程控制器經(jīng)過其內(nèi)部的計算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號給變頻器。 (3) 控制 機(jī)構(gòu)：控制機(jī)構(gòu)一般都集中在控制柜中，主要包括 PLC、變頻器、軟啟動器和其他電控設(shè)備。 PFC 自動調(diào)整著 1號泵運(yùn)行速度 (頻率 )，使實際信號能跟隨 給定信號。所以在選擇的時候要考慮多方面的因素，本系統(tǒng)采用的是西門子公司的 S7200 PLC，因為 S7200 型 PLC的性價比較高，而且恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)備較少，控制相對容易實現(xiàn)，所以用 S7200 型 PLC 最為合適。本系統(tǒng)選擇的軟啟動器是 CTS 200，用于恒壓供水系統(tǒng)中，由于恒壓供水項目中采用二（一臺備用）拖多的模式，所以對該型號軟啟動器進(jìn)行了改造，拆除了該軟啟動器上的旁路端子 B1， B2， B3，實際使用時，啟動完成電機(jī)直接接到 工頻上即可，這樣可減少軟啟動器的損耗。 流程 圖如圖 42 所示 ： 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計 21 ZJ 10 = 1 ？P L C 檢測手動切換旋鈕輸入地址 Ix . xIx . x = 1 ？KA 23 = 0KM 3 = 1選擇 1 軟啟動器系統(tǒng)上電是否檢查 3 QF 空開 ，檢查電源狀態(tài)ZJ 11 = 1 ？是檢查 4 QF 空開 ，檢查電源狀態(tài)否否是KA 23 = 1KM 4 = 1選擇 2 軟啟動器去故障檢測子程序Z J 8 = 1 ？P L C 檢 測 手 動 切 換旋 鈕 輸 入 地 址 I x . xI x . x = 1 ？K A 2 2 = 0K M 1 = 1選 擇 1 變 頻 器系 統(tǒng)上 電是否檢 查 1 Q F 空 開 ，檢 查 電 源 狀 態(tài)Z J 9 = 1 ？是檢 查 2 Q F 空 開 ，檢 查 電 源 狀 態(tài)否否是K A 2 2 = 1K M 2 = 1選 擇 2 變 頻 器去 軟 起 動 器 選擇 子 程 序 圖 42 變頻器選擇 流程圖 軟啟動 器 選擇 變頻器選擇后進(jìn)行軟啟動器的選擇。圖中 SA 為手自動切換開關(guān)，如果電源與下邊接通表示為手動控制狀態(tài)，由按鈕 1SB1~7SB1 和 1SB2~7SB2 分別控制 7 臺水泵電機(jī)的啟動和停止。 PFC宏是風(fēng)機(jī)泵類控制的專業(yè)宏，其接線圖如下： 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計說明書 12 圖 34 PFC 宏接線圖 使用 PFC宏功能時可以參看下表中的參數(shù)設(shè)置： 表 31 PFC宏參數(shù)設(shè)置表 功能碼 名稱 設(shè)定值 單位 注釋 9902 應(yīng)用宏 7 PCF 控制宏 9905 電機(jī)額定電壓 380 V 9906 電機(jī)額定電流 A 9907 電機(jī)額定功率 15 KW 1002 外部 2 命令 6 DI6 控制啟停 1101 控制盤給定選擇 2 百分比給定 1102 外部 1/外部 2 選擇 7 選擇外部控制 2 1106 給定值 2 選擇 19 給定值來源于 PID1 的輸出 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計 13 續(xù)表 31 功能碼 名稱 設(shè)定值 單位 注釋 1601 運(yùn)行允許 6 DI6 作為運(yùn)行允許信號 4006 單位 22 公斤（ bar） 4007 單位換算 1 一個小數(shù)點 4008 0％ 值 0 顯示最小值為 0 4009 100％ 160 顯示最大值為 16 4010 給定值選擇 1 模擬量 AI1 做給定 4011 內(nèi)部給定 60 給定值為 60％ 4014 反饋值選擇 1 實際值 ACT1 作為反饋信號 4016 ACT1 輸入 1 取模擬信號 AI1 為 ACT1 4027 PID1 參數(shù)組選擇 0 使用 PID 參數(shù)組 1 3201 監(jiān)控 1 參數(shù) 103 HZ 監(jiān)控器 1 監(jiān)控高頻率 48Hz 3202 監(jiān)控器 1 低限 25 3203 監(jiān)控器 1 高限 48 8109 啟動頻率 1 48 Hz 第一臺輔機(jī)的啟動頻率 8112 停止頻率 1 25 Hz 第一