【正文】 動控制系統(tǒng) 的主要 控制設(shè)備相對 較 少， 所以 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。為了方便 人們了解 熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的使用，可編程控制器 利用與 繼電器電路圖 比較相 似的梯形圖作為 重要 編程 工具 ， 且 將 在計算機中 參 與計 算及處理 過程 的 存儲組件都 用 繼電器 加以 命名。 (一 ) 輸入采樣階段 輸入采樣階段， PLC 用連續(xù) 掃描 的 方式 依次 地讀入 所有 輸入 信息 ，并將 該信息 存入 I/O 映像 區(qū)的 對應(yīng)結(jié)構(gòu)中 。 1. 各類 住宅類型的用水標準。那么 該怎樣 進行 水泵間 切換，才能 讓 系統(tǒng) 始終保持 穩(wěn)定可靠的供水壓力， 并且 使機水泵 組不 會太過頻繁 的切換呢 ? 因為 電網(wǎng)的 影響 以及 受限于 變頻器和電機 的 工作頻率， 50HZ 自然而然地 便成了 頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 通過 水泵機組中水泵被變頻器 控制 的 類型各異 ，變頻器 的兩種運行方式是 變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器 控制 某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵 工作 在上限頻率 時，其供水量仍 不能達到 用水 需 求， 必須 增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵 機組 中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器 控制其中 一臺水泵作為調(diào)速泵， 若 這臺水泵 工作 在 上限頻率 時，其供水量仍不能達到 用水要求， 必須 增加水泵機組時，系統(tǒng)直 接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不 進行 切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng) 開始 運行 之 前可以 進行 選擇 ， 該 設(shè)計 系統(tǒng) 中采用前者。具 備不錯的 通信接口， 能夠 方 便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性 相對較高 ； 目前 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可 按照實際需要 組成規(guī)模和 需求 不同 的 控制系統(tǒng)。 其本質(zhì)上 是 依據(jù)居民 用水量的變化自動地 控制 電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終 維 持 穩(wěn) 定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。管阻特性 體現(xiàn)了 水泵能量 克服 供水 系統(tǒng)的水位及壓力差、 流量 在 管網(wǎng) 中流動阻力的變化 關(guān)系 。 （ 5）因為變頻恒壓調(diào)速能夠從水源供水，不會長期儲存水，減少水與過程環(huán)境的接觸時間與空間，從而達到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點。 變頻恒壓供水 技術(shù)簡介 變頻恒壓供水技術(shù)是指將 變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器 （ PLC）相結(jié)合以 PLC作為 整個裝置的控制中心 ， 使 變頻器與 PID 相 結(jié)合， 變頻恒壓供水 系統(tǒng) 能夠依照供水系統(tǒng)的壓力值迅速 調(diào)整供水系統(tǒng)的 供輸情況 ， 從而實現(xiàn) 恒壓供水的目的， 這項技 術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)有： 運行安全、操作簡單、節(jié)約能源、自動化程度高、使用壽命長等特點。 PID 控制及其控制算法 ..................................................... 錯誤 !未定義書簽。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)利用 PLC、變頻器、壓力變送器和水泵機組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了 PLC 進行邏輯控制，變頻器對水泵機組的調(diào)速。 展望 .............................................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 2. 減少了水泵高頻率的 啟動 和 停止， 增長了 水泵 、電機 的使用壽命 。 （ 3）在工廠、企業(yè)中的應(yīng)用，眾所周知，對于一些企業(yè) 、工廠，水是生產(chǎn)工作的基礎(chǔ)，如果沒有穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，有可能使整個企業(yè)、工廠陷于癱瘓。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 21 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 水泵、電動機、管道和閥門 是構(gòu)成 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的主要設(shè)備 。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就 能夠 平滑地 控制 電動機的轉(zhuǎn)速。這種 控制方 式 既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能 滿足 系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求 。所以，在 不同 特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng) 上 的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓 力上 。 因此人們規(guī)定 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。 表 32 供水規(guī)模換算表 戶數(shù) 用水標準（ 3m /人日） （ 3m /h） ( 3m /h) ( 3m /h) ( 3m /h) 450 500 600 700 800 1000 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 63 頁 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù) ,并對電動機進行選型 ,見下表。掃描梯形圖 的過程 是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的 連接線路 ， 按照 先左后右、先上后下的 即定順序 對由觸點構(gòu)成的 整個線 路 進行 邏輯運算， 而 后 依 據(jù)邏輯運算 得出 的結(jié) 論 ， 重新調(diào)節(jié) 邏輯線圈在系統(tǒng) RAM 中 相對 應(yīng)位 置 的 運行 狀態(tài) ； 確定是否 應(yīng)該完成對 該梯形圖所 規(guī)定 的特殊 性能 指令。 那個時代 可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。 EM235 模塊 能夠 針對各種 標準 的 輸入信號， 利用 DIP 開關(guān)進行 相應(yīng)的 設(shè) 定 。 （ 1）運 算電路： 對 外部 電路各種 速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號開始進行 比較運算， 從而 決定逆變器的輸出電壓 和輸出 頻率。逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們 將它 稱 之 為變頻器。 由于變頻器內(nèi)部濾波電容的 功能，從而也 增加了電網(wǎng)的有功功率。 因為 本設(shè)計中 PLC 選 用的型號是 西門子 S7200， 為了方便于 PLC 與 變頻器之間的通信，變頻器選擇西門子的 MicroMaster440。壓力表測量 的 范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA電流信號，送 至 與 CPU226相連的 模擬量模塊 EM235， 當(dāng)做 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 。 該 原理大 體 是：將水壓這 種壓力的力學(xué)信號 轉(zhuǎn)換為 電 子信號 （ 420mA）， 通常 壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系 。 （ 4） 控制器： 按設(shè)定 好 的程序 開始運行 ，控制輸出方波的幅度與脈寬使 之 疊加為 相近 正弦波的交流電， 進而帶動 交流電動機。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個 基本 條件。風(fēng)機、泵類等設(shè)備 過去 的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來 控制 給風(fēng)量和給水量，輸入功率 一般較 大， 并 且大量能源消耗在 多余的 擋板、閥門截流 的過程中。 （ 2） 平波回路 整流器整流后的 直流電壓 系統(tǒng) 中含有 的 脈動電壓 電源頻率的 6 倍，此外逆變器產(chǎn)生的 脈動電流 也使 電壓系統(tǒng)中的 直流電壓 發(fā)生改變 。 所以當(dāng) 我們在 挑選 PLC時， 需充分 考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令 種類 豐富程度、內(nèi)存空間 大小 、通訊接 口及協(xié)議 是否簡單方便 、擴展模塊的能力等 諸 多方面 條件 。 20 世紀 70 年代 初 產(chǎn)生了 微處理器 ， 人們迅速 將 該器件 引入 到 PLC，使 PLC 增加了 許多新興 功能 如運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等 ，真正 實現(xiàn) 了具 備 計算機特征的 工業(yè)自動控制系統(tǒng) 。整個運行 過程中 PLC 的 CPU 都在以相應(yīng) 的掃描速度 循環(huán) 執(zhí)行 以上 三個 操作。 具體 選擇依據(jù)使用表格 如 下 表 。 水泵切換條件分析 在上述 分析 的 供水系統(tǒng)運行過程 中 ，討論到 當(dāng)變頻泵己 經(jīng) 運行在上限頻率， 且用戶管網(wǎng)的實際 水壓 仍 低于 設(shè)定 水壓 ， 這 時 就必須 增加水泵 數(shù)量 來 達到 供水 需求 ， 完成 恒壓的目 標，若 變頻泵和工頻泵都在 正常工作 且變頻泵己 經(jīng) 運行在下限頻率，此時 用戶 管網(wǎng)的實際 水壓 仍 超過 設(shè)定 水 壓 ，此時 必須通過 減少工頻泵來減少供水流量， 達到 恒壓的 要求 。供水控制器直接 通過 對系統(tǒng)中的壓力、報警 等 信號進行 檢測收集 ，對來自人機 及 通訊接口的 綜合信息采取 分析、實施控制算法， 獲得 對執(zhí)行機構(gòu)的控制 方式 ， 利用 變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)進行 相應(yīng)的 控制；變頻器是對水泵 采取 轉(zhuǎn)速控制的 基礎(chǔ) 設(shè)備 ， 它通過 跟蹤供水控制器送來的控制信號 調(diào)整 調(diào)速泵的 工作 頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制 過程 。 (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 該 控制方式靈活 簡單 。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。而管阻特性 則 是水泵轉(zhuǎn)速 保持恒定的前提 下 ， 表征 閥門在某一開度下流量 Q 與揚程 H 之間的關(guān)系曲線，如圖 21 所示。 （ 4）運行合理，因為采用軟起與軟停這種運行方式，不僅能夠減少水錘效應(yīng)，而且能夠減少平均的扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修成本，還可以增加水泵的壽命。 傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的供水設(shè)備分為恒速泵加壓式、氣壓罐式、水塔高位水箱式等多少種方式，但是其普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動化程度低、工作效率低、資源浪費嚴重、維護檢修成本高的缺點。 PID 控制器參數(shù)整定 ................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 本系統(tǒng)是用 3 臺水泵電機的變頻循環(huán)運行方式，變頻器和 PLC 作為系統(tǒng)控制的核心部件，時刻跟蹤壓力變送器檢測到的管網(wǎng)壓力和給定壓力的偏差變化，經(jīng) PLC 內(nèi)部進行 PID 運算，通過 PLC 控制變頻和工頻的切 換，自動控制水泵的投入臺數(shù)和 控制變頻器的輸出頻率，進而改變水泵電機的轉(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 。 參考文獻 .................................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。同時， 變頻恒壓供水啟動 方式平緩 ， 可以避免 電機水泵 和電機 的 供電 沖擊 力 ， 避免了傳統(tǒng)供水方式中水錘現(xiàn)象的發(fā)生。而恒壓供水系統(tǒng)能夠為其提供穩(wěn)定、安全、節(jié)能的供水系統(tǒng)。 通常是 異步電動機 帶動 水泵 來供水 ， 并 且把電機和水泵 整合在一起 ，異步電機的轉(zhuǎn)速 由 變頻器 控制 ， 通過調(diào)節(jié) 出水流量 來的大小完成 恒壓供水?；?PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 第 6 頁 共 63 頁 但是， 簡單的控制 電源 頻率 變化 ， 會導(dǎo)致 電機運行性能惡化。 系統(tǒng)的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng) 一般由 變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機組 等幾個部分 組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 22 所示： 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu) 由一組水泵組構(gòu)成 ， 該組水泵的作用是 將水 引 入 居民用水管網(wǎng)， 該水泵組主要 由一臺變頻泵和兩臺工頻泵 組成 ，變頻泵是 通過 變頻調(diào)速器控制、能夠 進行變頻調(diào)整 功能 的水泵，用 來依據(jù)具體的用水情況調(diào)節(jié) 電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的 壓力穩(wěn) 定；工頻泵 僅工作 于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量 相對較 大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都 不能達到供水需求 時）的情況下投入 使用 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 23 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 一般利用安裝 在 居民 供水管 網(wǎng) 上的壓力變送器實時地 測量 參考點的水壓， 測得 管網(wǎng)出水壓力，并將 該信號 轉(zhuǎn) 化成 4—20mA 的電 子 信號 ， 該 檢測信號是 完成 恒壓供水的 主要 參數(shù)。 當(dāng) 變頻器實際 輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。 表 33 水泵，電機和變頻器選型表 用水量 /（ 3m /h） 揚程 /m 水泵型號 電機功率 /KW 配用變頻器 /KW 50xN 60 80LG5020x3 15 15 80 80LG5020x4 100 80LG5020x5 22 22 120 80LG5020x6 30 30 100xN 40 100DL2 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 注： N為水泵臺數(shù) 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù)：平方供水壓力 P=；樓房供水壓力 P=（ +樓層數(shù)） MPa () ： （ 1） 貯水池本身 容量 必須 大于每小時 總 供水量 峰值 ； （ 2）水泵揚程 一定要超過 實際供水高度； （ 3）水泵流量總和 必須 大于 實際用水峰值 。 (三 ) 輸出刷新階段 掃描用戶程序 過程結(jié)束 后， PLC 就 開始進入 輸出刷新 過程 。 該