【正文】 動(dòng)控制系統(tǒng) 的主要 控制設(shè)備相對(duì) 較 少， 所以 PLC 選用德國(guó) 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(jì)算機(jī)中 參 與計(jì) 算及處理 過程 的 存儲(chǔ)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(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中 。 1. 各類 住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。那么 該怎樣 進(jìn)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(jī)水泵 組不 會(huì)太過頻繁 的切換呢 ? 因?yàn)?電網(wǎng)的 影響 以及 受限于 變頻器和電機(jī) 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(jī)組中水泵被變頻器 控制 的 類型各異 ，變頻器 的兩種運(yùn)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(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵 工作 在上限頻率 時(shí)，其供水量仍 不能達(dá)到 用水 需 求， 必須 增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵 機(jī)組 中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器 控制其中 一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵， 若 這臺(tái)水泵 工作 在 上限頻率 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到 用水要求， 必須 增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直 接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不 進(jìn)行 切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng) 開始 運(yùn)行 之 前可以 進(jìn)行 選擇 ， 該 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 中采用前者。具 備不錯(cuò)的 通信接口， 能夠 方 便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性 相對(duì)較高 ； 目前 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可 按照實(shí)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(dòng)地 控制 電機(jī)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(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)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(dòng)阻力的變化 關(guān)系 。 （ 5）因?yàn)樽冾l恒壓調(diào)速能夠從水源供水，不會(huì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存水，減少水與過程環(huán)境的接觸時(shí)間與空間，從而達(dá)到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點(diǎn)。 變頻恒壓供水 技術(shù)簡(jiǎn)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(gè)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(shí)現(xiàn) 恒壓供水的目的， 這項(xiàng)技 術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)有： 運(yùn)行安全、操作簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 PID 控制及其控制算法 ..................................................... 錯(cuò)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(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了 PLC 進(jìn)行邏輯控制，變頻器對(duì)水泵機(jī)組的調(diào)速。 展望 .............................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2. 減少了水泵高頻率的 啟動(dòng) 和 停止， 增長(zhǎng)了 水泵 、電機(jī) 的使用壽命 。 （ 3）在工廠、企業(yè)中的應(yīng)用，眾所周知，對(duì)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(gè)企業(yè)、工廠陷于癱瘓。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 21 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 水泵、電動(dòng)機(jī)、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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種 控制方 式 既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，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(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng) 上 的實(shí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)（ 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(jì) 第 13 頁 共 63 頁 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù) ,并對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)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(diǎn)構(gòu)成的 連接線路 ， 按照 先左后右、先上后下的 即定順序 對(duì)由觸點(diǎn)構(gòu)成的 整個(gè)線 路 進(jìn)行 邏輯運(yùn)算， 而 后 依 據(jù)邏輯運(yùn)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(duì) 應(yīng)位 置 的 運(yùn)行 狀態(tài) ； 確定是否 應(yīng)該完成對(duì) 該梯形圖所 規(guī)定 的特殊 性能 指令。 那個(gè)時(shí)代 可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。 EM235 模塊 能夠 針對(duì)各種 標(biāo)準(zhǔn) 的 輸入信號(hào)， 利用 DIP 開關(guān)進(jìn)行 相應(yīng)的 設(shè) 定 。 （ 1）運(yùn) 算電路： 對(duì) 外部 電路各種 速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)開始進(jìn)行 比較運(yùn)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?yàn)?本設(shè)計(jì)中 PLC 選 用的型號(hào)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(cè)量 的 范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA電流信號(hào)，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(hào)，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(hào) 。 該 原理大 體 是：將水壓這 種壓力的力學(xué)信號(hào) 轉(zhuǎn)換為 電 子信號(hào) （ 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(yùn)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(jìn)而帶動(dòng) 交流電動(dòng)機(jī)。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個(gè) 基本 條件。風(fēng)機(jī)、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(dòng)電壓 電源頻率的 6 倍，此外逆變器產(chǎn)生的 脈動(dòng)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?cè)?挑選 PLC時(shí)， 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(jiǎn)單方便 、擴(kuò)展模塊的能力等 諸 多方面 條件 。 20 世紀(jì) 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(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等 ，真正 實(shí)現(xiàn) 了具 備 計(jì)算機(jī)特征的 工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng) 。整個(gè)運(yùn)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(gè) 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(yùn)行過程 中 ，討論到 當(dāng)變頻泵己 經(jīng) 運(yùn)行在上限頻率， 且用戶管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 仍 低于 設(shè)定 水壓 ， 這 時(shí) 就必須 增加水泵 數(shù)量 來 達(dá)到 供水 需求 ， 完成 恒壓的目 標(biāo)，若 變頻泵和工頻泵都在 正常工作 且變頻泵己 經(jīng) 運(yùn)行在下限頻率，此時(shí) 用戶 管網(wǎng)的實(shí)際 水壓 仍 超過 設(shè)定 水 壓 ，此時(shí) 必須通過 減少工頻泵來減少供水流量， 達(dá)到 恒壓的 要求 。供水控制器直接 通過 對(duì)系統(tǒng)中的壓力、報(bào)警 等 信號(hào)進(jìn)行 檢測(cè)收集 ，對(duì)來自人機(jī) 及 通訊接口的 綜合信息采取 分析、實(shí)施控制算法， 獲得 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制 方式 ， 利用 變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行 相應(yīng)的 控制；變頻器是對(duì)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(hào) 調(diào)整 調(diào)速泵的 工作 頻率，完成對(duì)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(jī)界面 +壓力傳感器 該 控制方式靈活 簡(jiǎn)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(yáng)程 H 之間的關(guān)系曲線，如圖 21 所示。 （ 4）運(yùn)行合理，因?yàn)椴捎密浧鹋c軟停這種運(yùn)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(dòng)化程度低、工作效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、維護(hù)檢修成本高的缺點(diǎn)。 PID 控制器參數(shù)整定 ................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本系統(tǒng)是用 3 臺(tái)水泵電機(jī)的變頻循環(huán)運(yùn)行方式，變頻器和 PLC 作為系統(tǒng)控制的核心部件，時(shí)刻跟蹤壓力變送器檢測(cè)到的管網(wǎng)壓力和給定壓力的偏差變化，經(jīng) PLC 內(nèi)部進(jìn)行 PID 運(yùn)算，通過 PLC 控制變頻和工頻的切 換，自動(dòng)控制水泵的投入臺(tái)數(shù)和 控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)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 。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。同時(shí)， 變頻恒壓供水啟動(dòng) 方式平緩 ， 可以避免 電機(jī)水泵 和電機(jī) 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?yàn)槠涮峁┓€(wěn)定、安全、節(jié)能的供水系統(tǒng)。 通常是 異步電動(dòng)機(jī) 帶動(dòng) 水泵 來供水 ， 并 且把電機(jī)和水泵 整合在一起 ，異步電機(jī)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(jì) 第 6 頁 共 63 頁 但是， 簡(jiǎn)單的控制 電源 頻率 變化 ， 會(huì)導(dǎo)致 電機(jī)運(yùn)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(chǎng)的水泵機(jī)組 等幾個(gè)部分 組成一個(gè)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(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)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(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵 組成 ，變頻泵是 通過 變頻調(diào)速器控制、能夠 進(jìn)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(jī)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(duì)較 大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都 不能達(dá)到供水需求 時(shí)）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(jī) 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(shí)時(shí)地 測(cè)量 參考點(diǎn)的水壓， 測(cè)得 管網(wǎng)出水壓力，并將 該信號(hào) 轉(zhuǎn) 化成 4—20mA 的電 子 信號(hào) ， 該 檢測(cè)信號(hào)是 完成 恒壓供水的 主要 參數(shù)。 當(dāng) 變頻器實(shí)際 輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。 表 33 水泵，電機(jī)和變頻器選型表 用水量 /（ 3m /h） 揚(yáng)程 /m 水泵型號(hào) 電機(jī)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(tái)數(shù) 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)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(shí) 總 供水量 峰值 ； （ 2）水泵揚(yáng)程 一定要超過 實(shí)際供水高度； （ 3）水泵流量總和 必須 大于 實(shí)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(jìn)入 輸出刷新 過程 。 該