【正文】 水泵機(jī)組去運(yùn)行，導(dǎo)致成本過(guò)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(jì)根據(jù)陜西科技大學(xué)供水系統(tǒng) 的 供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于 PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。通過(guò)此題目，使學(xué)生掌握作為一個(gè)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(wèn)題并確立出合理的設(shè)計(jì)方案，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考問(wèn)題及解決問(wèn)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(guó)也有很多的公司在做恒壓變頻供水的工程，它們一般都會(huì)采用外國(guó)先進(jìn)的變頻器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)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(tái)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(shí)現(xiàn)，但是在很多方面都達(dá)不到用戶(hù)要求的指標(biāo)，比如系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、抗干擾性能、穩(wěn)定性能和開(kāi)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)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(hào)是用來(lái)判斷水泵是否可以抽到水的，如果水位過(guò)低就無(wú)法正常抽到水，這時(shí)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(bào)警信號(hào)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(guò)載、變頻器工作不正常、軟啟動(dòng)器不工作等。由于水壓是變化的所以通過(guò)這種壓力檢測(cè)切換同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了 5臺(tái)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(jì) 9 3 恒壓變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備電路的設(shè)計(jì) PLC 的設(shè)計(jì) 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(dòng)器，在電機(jī)切換至工頻運(yùn)行時(shí)需要直接接入電網(wǎng)，這時(shí)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(shí)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(guò)柜體上的旋鈕來(lái)控制的。每個(gè)支路上都有各自 xKM2 和 xKM3(x為 17)的常閉觸點(diǎn)，表示各種啟動(dòng)狀態(tài)不能同時(shí)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(jì)說(shuō)明書(shū) 14 出頻率上升，若升至啟動(dòng)頻率，則啟動(dòng) 2輔泵，同時(shí)由于 PLC檢測(cè)到 RO2= RO3=1， 又會(huì)啟動(dòng) 5輔泵；如果變頻器輸出頻率停留在停止頻率和啟動(dòng)頻率之間，在 4輔泵啟動(dòng)起來(lái)后，PLC 檢測(cè)到 RO2= RO3=0， 不再啟動(dòng)另一臺(tái)輔泵。 (4) 自動(dòng)切換功能（如果使用了并且相對(duì)應(yīng)地使用了開(kāi)關(guān)和接觸器）能夠使各臺(tái)泵均攤負(fù)載時(shí)間。該系統(tǒng)還應(yīng)該有專(zhuān)門(mén)的報(bào)警信號(hào)，信號(hào)傳送給 PLC后其作出判斷和保護(hù)動(dòng)作，以免造成損失。 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 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(dòng)器、水泵機(jī)組、壓力變送器組成 [6]。這種方案可以有兩種實(shí)現(xiàn)方法：其一是采用 PLC程序控制加變頻器相位檢測(cè)切換控制方式，其二可以采用專(zhuān)用變頻器直接完成相位檢測(cè)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(jì)說(shuō)明書(shū) 4 2 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 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(wú)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?yàn)檎{(diào)速性能不是很高，丹佛斯公司生產(chǎn)了第一臺(tái)變頻器，隨后就有很多企業(yè)也紛紛效仿，開(kāi)啟了變頻器的新時(shí)代。 其穩(wěn)定安全的運(yùn) 行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)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(tái)軟啟動(dòng)器、 2臺(tái)變頻器、 7臺(tái)水泵電機(jī)組成，其中 1臺(tái)是夜間低壓狀態(tài)時(shí)使用，剩下的 6臺(tái)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(duì)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(guò)恒壓供水專(zhuān)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(tái)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(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的循環(huán)切換，但是其有定時(shí)啟動(dòng)和停止、定時(shí)循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)槠鋬?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(huì)介紹他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及本設(shè)計(jì)中用到的 CPU。由于變頻器功能比較少所以這里只提供一個(gè)可變頻率的電源給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，來(lái)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(shí)檢修。 (2) 變頻器 PFC 調(diào)節(jié)器使用了兩個(gè)信號(hào) :給定值和實(shí)際的反饋值。它作為系統(tǒng)的大腦，要完成信號(hào)的采集、各種輸出單元的控制和恒壓的實(shí)現(xiàn)。所以一個(gè)好的軟啟動(dòng)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(guò)中間繼電器 KA22 來(lái)進(jìn)行兩個(gè)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(dòng)控制狀態(tài)，自動(dòng)控制時(shí)由 PLC 控制各水泵電機(jī)的運(yùn)行，圖中包含 1KM1~7KM1 的常開(kāi)觸點(diǎn)，其作用是進(jìn)行自鎖?？刂七^(guò)程如下： 在軟啟動(dòng)器將一臺(tái)輔泵啟動(dòng)起來(lái)后，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)， 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(dòng)作， 1輔泵和 2輔泵已啟動(dòng)），則繼續(xù)啟動(dòng) 3輔泵，這時(shí)候如果反饋壓力大于給定值，變頻器輸出頻率將會(huì)下降，如果穩(wěn)定在停止頻率以上，此時(shí) RO2和 RO3狀態(tài)不變，在 3輔泵啟動(dòng)起來(lái)后，經(jīng)過(guò)延時(shí)， PLC再次檢測(cè)到 RO2= RO3=1，于是又開(kāi)啟 4輔泵。 (3) 互鎖功能能夠辨識(shí)出未激活（不使用）的電機(jī)，從而 PFC調(diào)節(jié)器跳過(guò)這臺(tái)電機(jī)，調(diào)用下一臺(tái)可使用的電機(jī)。而且軟啟動(dòng)器還有許多保護(hù)功能，如過(guò)載保護(hù)、缺相保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等。 通過(guò)對(duì)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(jià)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(diǎn)，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(shí)，所有水泵配用一臺(tái)變頻器，變頻器根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過(guò) PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)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(gè)： (a) 設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)總體方案，滿(mǎn)足工程技術(shù)要求； (b) 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理圖、接線(xiàn)圖、布局圖等圖紙，使工程人員能夠從原理上理解設(shè)計(jì)思想，在施工上便于操作； (c) 參與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序，滿(mǎn)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(xiě)相關(guān)的系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)，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?yàn)榧夹g(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(zhǎng)水泵和閥門(mén)等設(shè)備的使用壽命，也可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng) [1]。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào)，將管網(wǎng)水壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)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(lái)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(duì)于目前我國(guó)的情況來(lái)說(shuō)，泵站的 數(shù)量很大，但是由于設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到節(jié)能的問(wèn)題，而且由于國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)的水平還是有一定的差距，所以我國(guó)電能很大一部分是消耗在這個(gè)上的而電能大部分又是由火力發(fā)電產(chǎn)生的。其缺點(diǎn)是帶負(fù)載容量低，而且操作復(fù)雜沒(méi)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(chǎng)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(mǎn)足用水要求。壓力變送器用來(lái)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(guò)其內(nèi)部的計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)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(dòng)器和其他電控設(shè)備。 PFC 自動(dòng)調(diào)整著 1號(hào)泵運(yùn)行速度 (頻率 )，使實(shí)際信號(hào)能跟隨 給定信號(hào)。所以在選擇的時(shí)候要考慮多方面的因素，本系統(tǒng)采用的是西門(mén)子公司的 S7200 PLC，因?yàn)?S7200 型 PLC的性?xún)r(jià)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(duì)容易實(shí)現(xiàn)，所以用 S7200 型 PLC 最為合適。本系統(tǒng)選擇的軟啟動(dòng)器是 CTS 200，用于恒壓供水系統(tǒng)中，由于恒壓供水項(xiàng)目中采用二（一臺(tái)備用）拖多的模式，所以對(duì)該型號(hào)軟啟動(dòng)器進(jìn)行了改造，拆除了該軟啟動(dòng)器上的旁路端子 B1， B2， B3，實(shí)際使用時(shí)，啟動(dòng)完成電機(jī)直接接到 工頻上即可，這樣可減少軟啟動(dòng)器的損耗。 流程 圖如圖 42 所示 ： 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 ZJ 10 = 1 ？P L C 檢測(cè)手動(dòng)切換旋鈕輸入地址 Ix . xIx . x = 1 ？KA 23 = 0KM 3 = 1選擇 1 軟啟動(dòng)器系統(tǒng)上電是否檢查 3 QF 空開(kāi) ，檢查電源狀態(tài)ZJ 11 = 1 ？是檢查 4 QF 空開(kāi) ，檢查電源狀態(tài)否否是KA 23 = 1KM 4 = 1選擇 2 軟啟動(dòng)器去故障檢測(cè)子程序Z J 8 = 1 ？P L C 檢 測(cè) 手 動(dòng) 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(kāi) ，檢 查 電 源 狀 態(tài)Z J 9 = 1 ？是檢 查 2 Q F 空 開(kāi) ，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(dòng) 器 選擇 子 程 序 圖 42 變頻器選擇 流程圖 軟啟動(dòng) 器 選擇 變頻器選擇后進(jìn)行軟啟動(dòng)器的選擇。圖中 SA 為手自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，如果電源與下邊接通表示為手動(dòng)控制狀態(tài)，由按鈕 1SB1~7SB1 和 1SB2~7SB2 分別控制 7 臺(tái)水泵電機(jī)的啟動(dòng)和停止。 PFC宏是風(fēng)機(jī)泵類(lèi)控制的專(zhuān)業(yè)宏，其接線(xiàn)圖如下： 陜西科技大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 圖 34 PFC 宏接線(xiàn)圖 使用 PFC宏功能時(shí)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(chēng) 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(pán)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(lái)源于 PID1 的輸出 恒壓 變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 續(xù)表 31 功能碼 名稱(chēng) 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(hào) 4006 單位 22 公斤（ bar） 4007 單位換算 1 一個(gè)小數(shù)點(diǎn) 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(shí)際值 ACT1 作為反饋信號(hào) 4016 ACT1 輸入 1 取模擬信號(hào) 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(dòng)頻率 1 48 Hz 第一臺(tái)輔機(jī)的啟動(dòng)頻率 8112 停止頻率 1 25 Hz 第一