【文章內(nèi)容簡介】 為七章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章簡略的介紹了供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前國內(nèi)外變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及相關背景； 第二章主要通過分析系統(tǒng)的控制要求，確定了系統(tǒng)的整體設計方案，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析； 第三章對變頻恒壓供水進行了原理性分析，為系統(tǒng)設計提供理論基礎； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進行設計，并對所需元件進行選型，設計出系統(tǒng)的電氣原理圖與 I/O 口外圍接線圖； 第五章對系統(tǒng)軟件部分進行總體設計，介紹了各軟件程序部分設計過程，重點研究壓力采集程序與 PID 部分，并列舉典型程序； 第六章主要對 PLC 程序進行仿真軟件調(diào)試和實驗室調(diào)試，然后對仿真結(jié) 果進行驗證分析，并總結(jié)不足之處； 第七章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 4 第二章 恒壓供水系統(tǒng)控制方案確定 系統(tǒng)設計要求 本 設計是以 普通 小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象 ， 設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)， 保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。 完成 硬件設備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點數(shù)，進行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O點數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關軟件，設計梯 形圖控制程序，對程序進行調(diào)試和修改。 結(jié)合以上要求可知此次設計宜采用 PLC 控制變頻恒壓 的 供水系統(tǒng) ， 主要 由 變頻器、可編程控制器、壓力 傳感器 和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設計中有 4 臺水泵 （ 3 臺水泵為常規(guī)供水泵， 1 臺為輔助泵） ，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下 做 變速運行，其余水泵做恒速運行。 此設計系統(tǒng)以設定壓力為控制目標，以 PID 為控制算法，和變頻器、水泵、壓力傳感器組成恒壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設計值偏差變化情況，經(jīng) PLC 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 PLC 控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機投運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水 [5]。原理圖如圖 所示 設定壓力 + 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理圖 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 水泵 壓力檢測 PLC 5 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 圖 供 水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖 ，整個系統(tǒng)由四臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。四臺水泵中每臺泵的出水管都安裝手動閥，以方便維修和調(diào)節(jié)水量，三臺常規(guī)水泵協(xié)調(diào)工作以滿足實際供水需要，輔助泵僅在自動狀態(tài)啟動前處于啟動狀態(tài)，在自動狀態(tài)啟動后關閉；在變頻供水系統(tǒng)中檢測管網(wǎng)壓力的壓力傳感器，通常采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流信號 )；變頻器作為供水系統(tǒng)的核心器件，通過改變電機的頻率來實現(xiàn)電機的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項 功能。 可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分構(gòu)成。 (1) 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是由水泵組構(gòu)成，它們用于將水供給用戶管網(wǎng)，圖 3個常規(guī)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻器控制可以變頻調(diào)速的水泵，根據(jù)用水量的變化情況改變電機的轉(zhuǎn)速，用以維持管網(wǎng)水壓的恒定。 S7200 PLC 壓力傳感器 變頻器 1泵 2泵 3泵 輔助泵 6 恒速泵 :水泵只工作在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足的情況下，對供水量進行定量補充。 (2) 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信 號包括自來水出水水壓信號和危險報警信號 : 1) 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 2) 報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水庫液位是否超限、變頻器是否有異常。該信號為開關量信號。 (3) 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)通常安裝在供水控制柜中，共包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) ) 、變頻器和電控設備三部分。 1）供水控制器 :它是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心器件，包括變頻器和電控設備。供水控制器直接采集系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號，對人機接口和通訊接口所提供的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算 法，得出控制執(zhí)行機構(gòu)的方案，通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (水泵 ) 進行規(guī)律控制。 2）變頻器 :主要作用是實現(xiàn)對水泵進行轉(zhuǎn)速控制。變頻器根據(jù)供水控制器送來的控制信號來改變調(diào)速泵的運行頻率，實現(xiàn)對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 3）電控設備 :它包括一組接觸器、保護繼電器、轉(zhuǎn)換開關等電氣元件。應用于在供水控制器的控制下實現(xiàn)對水泵的切換、手動 /自動切換等。 (4) 人機界面 人機界面是人與機器進行信息交互的場所。借助于人機界面，使用者可以完成更改設定壓力，修改系統(tǒng)設定等操作以滿足不同工藝的需求，同時使用者還可以從人機界面上了 解系統(tǒng)的運行情況以及設備的工作狀態(tài)。同時通過人機界面報警進行顯示，使用者還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)示。 (5) 通訊接口 通訊接口作為本系統(tǒng)的重要組成部分，借助于該接口，系統(tǒng)能夠和組態(tài)軟件以及其他的工控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以把現(xiàn)代較為先進的網(wǎng)絡技術(shù)應用到本系統(tǒng)中，類似于可以對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。 (6) 報警裝置 在一個控制系統(tǒng)中，報警必須是不可或缺的組成部分。由于本系統(tǒng)在不同的供水領域均可適用，所以為實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運行，防止因為電機過載、變頻器運行報警、電網(wǎng)波動過 大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對各種報警量進行監(jiān)測，然后通過 PLC判斷報警類別，進 7 行報警顯示和保護動作控制，以免造成本可避免的損失 [5]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : （ 1) 自動運行 閉合自動開關后， 1泵電機有電，變頻器輸出頻率從 0Hz 開始 上升，同時 PID調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮兆詨毫鞲衅鞯男盘?，?jīng)運算后與系統(tǒng)給定壓力值進行比較，把調(diào)節(jié)參數(shù)傳送到變頻器，如果壓力不足，則頻率上升，直到 50Hz（理論） ， 1泵由變頻運行切換到工頻，同時 2泵變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升，直到滿足供水需要，加泵規(guī)律依此類推；當用水量減小即壓力過大，變頻器持續(xù)出現(xiàn)下限頻率，則切除一臺工頻泵，達到使供水壓力恒定的目的。若出現(xiàn)電源瞬時停電的情況，系統(tǒng)立即停止運行。等待電源恢復后，系統(tǒng)將自動恢復運行，然后按照自動運行方式啟動 1泵變頻運行（與上述規(guī)律相同），直到達到給定水壓值，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動控制，系統(tǒng)可自動實現(xiàn)對水泵的軟啟動、循環(huán)變頻、停止等操作過程。 (2) 手動運行 當壓力傳感器故障或變頻器發(fā)生故障時，為保障用水，三臺常規(guī)泵可以手動控制工頻運行。 (3) 停止 轉(zhuǎn)換開關置于停止位置，設備進入停機狀態(tài)，任何設備不能啟動。 (4) 采用 “規(guī)律自動切換” 原則 “規(guī)律自動切換”原則指水泵運行連續(xù)在某一種控制規(guī)律下時間達到所設定時間時自動換泵運行。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運行時間接近，防止個別供水泵運行時間過長損耗，而有的泵因長時間不用而銹死，從而有效的延長了設備的壽命。 (5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 主水管網(wǎng)采集到的壓力信號經(jīng) 壓力傳感器與 PLC 的擴展模塊 PID 運算傳送給變頻器，并給出直接控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定的信號。當正在運 行的供水泵全速運行，但仍未達到給定壓力值時，切換變頻泵到工頻運行，通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。 (6) 完善的保護、報警功能 在供電控制回路上對工頻、變頻電源實現(xiàn)電氣與機械互鎖，防止產(chǎn)生短路。由于水泵功率較大，為了避免直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器 8 來啟動水泵 [9]。 第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理分析 電動機的調(diào)速原理 交流電動機的同步轉(zhuǎn)速 Pfn 11 60? （ ） 式中 1n 同步轉(zhuǎn)速， r/min； 1f 定子頻率， Hz； P 電機的磁極對數(shù)。 而異步電動機轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsnn ???? （ ） 式中 s 異步電機轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? ，一般小于 3%。 從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速運行時轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化也大，因此僅在特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器中適用。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級調(diào)速方式，它的最大優(yōu)點在于可回收轉(zhuǎn) 差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調(diào)速性能好，但是其線路過復雜，中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加，由于成本較高而影響了其推廣使用價值。下面對改變電源頻率調(diào)速的方法及特點進行重點分析。 由公式可得，轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，三相異步電機的轉(zhuǎn)速 n 基本與電源頻率 f 成正比。電源頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，就能夠平滑的改變電動機的轉(zhuǎn)速 n。但僅通過電源 9 頻率調(diào)節(jié)，最終導致電機運行性能的惡化。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應用。 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)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 兩者之間的關系曲線，如圖 所示。因為在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量的值主要取決于用戶的用水量，因此，揚程特性反映的是揚程 H 與用水流量 Qu 間的關系 H=f(Qu)。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚程 H 與流量 Q 之間的關系曲線（閥門在某一開度下），如圖 所示。管阻特性說明了水泵能量被用來克服水泵系統(tǒng)的壓力及水位差、液體在供水管道中流動阻力的變化規(guī)律。改變閥門開度，實際上改變的是在某一揚程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供 水能力。因此，管阻特性反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關系H=f(Qc)。管阻特性曲線和揚程特性曲線的交點，稱之為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 所示點 A。只有在這一點，供水系統(tǒng)的供水流量 Qc 和用戶的用水流量 Qu 處在平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既符合了管阻特性，也滿足了揚程特性 ，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)基本特征 水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。通過異步電動機驅(qū)動供水泵旋轉(zhuǎn)供水，將電機和水泵做成一個整體， 通過變頻器改變異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量以實現(xiàn)恒壓供水。所以，異步電動機的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)異步電動機的變 10 頻調(diào)速。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法通過調(diào)節(jié)閥門開度以調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速恒定不變。其實質(zhì)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量，因此，管阻隨閥門開度變化而變化，但是其揚程特性不變。在實際用水中，水需求量是實時變化的，如果在一段時間內(nèi)閥門開度保持不變，必然出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速控制法則是 通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開度，是通過改變水的動能來改變流量。因而，揚程特性隨水泵電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。它的工作原理是通過用戶用水需求量的改變自動調(diào)整水泵電機轉(zhuǎn)速，以達到管網(wǎng)壓力始終保持恒定的目的，用水量減小時電機減速，用水量增大時電機加速。 從流體力學可得，水泵向管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與出水流量 Q 和管網(wǎng)的水壓 H 的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)水壓 H 與出水流量Q 的平方成正比。綜上關系可得，水泵輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方 成正比，即： HQkP1? () Qkn 2? () 23QkH?