【正文】 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日院系畢業(yè)設(shè)計（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組意見： 組長（簽字）： 年 月 日摘要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)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), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。2)　根據(jù)商住樓的具體參數(shù)設(shè)計供水系統(tǒng)總體方案；3)　供水系統(tǒng)設(shè)備選型； 4)　供水系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的控制要求； 5)　控制系統(tǒng)方案設(shè)計（PLC，變頻器，）； 6)　控制系統(tǒng)設(shè)備選型（PLC，變頻器，）； 7)　控制系統(tǒng)設(shè)計（一、二次回路原理圖、編程、組態(tài)）； 8)　調(diào)試及調(diào)試報告； 9)　本控制系統(tǒng)移植到其它應(yīng)用領(lǐng)域的可行性分析；10)　按要求撰寫、裝訂畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書；畢業(yè)設(shè)計（論文）專題部分： 變頻器的選型及應(yīng)用 該課題由多名學(xué)生組成一個設(shè)計小組，共同設(shè)計完成。根本上解決了該學(xué)生公寓用水緊張的問題。(5) 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“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可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(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，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言[5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，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。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0HZ。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型?？焖匐娏飨拗茖崿F(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。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：。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。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。 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UpAIW0輸出信號1泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL11泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL22泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL32泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL43泵工頻運行接觸器及指示燈KMHL53泵變頻運行接觸器及指示燈KMHL6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UfAQW0，畫出PLC及擴展模塊外圍接線圖，： PLC及擴展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括4個數(shù)字量和1個模擬量。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。當(dāng)時， () ()計算的：，PI控制器的傳遞函數(shù)為：用matlab軟件仿真，編程如下：s1=tf(2,[300,1])。 PID參數(shù)整定控制器參數(shù)整定的方法很多，歸納起來可分為兩大類：理論計算整定法與工程整定法，常用的工程整定法有：動態(tài)特性參數(shù)法、穩(wěn)定邊界法、阻尼振蕩法和現(xiàn)場經(jīng)驗整定法，本設(shè)計選用的是動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥WV(s)、被控對象WO(s)和測量變送Wm(s)）階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法[17]。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復(fù)位并用于新運行泵的啟動。(3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細介紹。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y100和XMT1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。(4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)定值。(3) 控制機構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。(2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC，S7200屬于小型PLC，在1998年升級為第二代產(chǎn)品，2004年升級為第三代產(chǎn)品，其特點如下[6]：(1) 功能強大?！? PLC的發(fā)展和應(yīng)用世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制的?？傊m然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點如下：(1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行， 不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。變頻供水的優(yōu)點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，安裝便捷。三、供水系統(tǒng)的參數(shù)方案設(shè)計學(xué)生戶數(shù)：460戶（每戶四人）樓層高度24m用水核算：T=180～210升／人?日 *460*4= 3／天 正常供水能力Ｑ=32～48M3／h （按供水時間8～12h/天計算）方案設(shè)計：選擇三臺型號為XPS48403/50LG*2的水泵作為供水泵； 設(shè)計蓄水池容量V=200M3，其中50％的水留作消防用水；另設(shè)一組水泵對消火栓供水，以保證Ｑ=2M3／m的供水能力，持續(xù)時間為1小時，水泵供水揚程H＝24m。通過編程軟件設(shè)計了一個用于供水系統(tǒng)壓力控制的PID控制器，PID控制器內(nèi)置在PLC中，該控制器對于壓力給定值與測量值的偏差進行處理，實時控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)整個供水的壓力的自動調(diào)節(jié)，使壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。在我國，60%的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此如何利用電機調(diào)速技術(shù)進行電機運行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國家和業(yè)界人士的重視。在1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的PLC標準草案中對PLC做了如下定義:“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)字運算操作的電子裝置。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，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合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、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。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(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+水泵機組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入—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，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機的功率和電流進行選擇。因此本設(shè)計中選擇電機功率為75KW的上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵3臺。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當(dāng)電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進行近似等效。s=feedback(sk,)。(3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為0~100HZ，則上下限給