【文章內(nèi)容簡介】 大多數(shù)的 變頻器與 變頻供水控制器配合， 都 可實現(xiàn)恒壓供水 ， 并且 有很多 變頻器設(shè)計 方案已將 變頻供水控制器直接做在供水專用變頻器中 ， 使其 具有可靠性好， 使用方便 等 優(yōu)點。 恒壓供水 系統(tǒng) 具有 很好 的節(jié)能效果 。 由水泵－管道供水原理可知，調(diào)節(jié) 供水流量，原則上有二 種方法；一 是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升；關(guān)小供水閥 ，流量下降。調(diào)節(jié)流量的第二種方法是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量增加；轉(zhuǎn)速下降，流量降低，對于用水流量經(jīng) 常變化的場合（例如生活用水），采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良 的節(jié)能效果。我國國家科委和國家經(jīng)貿(mào)委在《中國節(jié)能技術(shù) 政策大綱》中把泵和風機的調(diào)速技術(shù)列為國家九五計劃重點推廣的節(jié)能技術(shù)項目。應(yīng)當指出，變頻恒壓供水節(jié)能的效果主 要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使變頻 恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵 并聯(lián)的供水模式。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知多泵并聯(lián)恒壓供水，只要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，可以實現(xiàn)恒壓變量供水 。在變頻恒壓變量供水當中，變頻泵的流量是變化的，當變頻泵是各并聯(lián)泵中最大，即可保證恒壓供水 。 在多泵并聯(lián)變頻恒壓變量的供水情況下，當用水流量下降 ，變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降（變頻器供電頻率下降）；當頻率下降 到零流量的時候，變頻供水控制器發(fā)出一個指令，自動關(guān)閉一 臺工頻泵使之超出并聯(lián)供水。為了減少工頻泵自動投入或超出時的沖擊（水力的或電流的沖擊）。在投入時，變頻泵的轉(zhuǎn)速 自動下降 ，然后慢慢上升以滿足恒壓供水的要求。在超出時，變頻泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)自動上升，然后慢慢下降以滿足恒壓供水的 要求。上述頻率自動上升，下降由供水變頻控制器控制。另一種變頻供水模式通常叫做恒壓變量循環(huán)狀啟動并先開 先停的工作模式。在這種供水模式中，當供水流量少于變頻泵 在恒壓工頻下的流量時，由變頻泵自動調(diào)速供水，當用水流量增大，變頻泵的轉(zhuǎn)速升高。當變頻泵的轉(zhuǎn)速升高到 13 工頻轉(zhuǎn)速 ， 由變頻供水控制器控制把該臺水泵切換到由工頻電網(wǎng)直接 供電（不通過變頻器供電）。變頻器則另外啟動一臺并聯(lián)泵投入工作。隨用水流量增大，其余各并聯(lián)泵均按 上述相同的方式軟 啟動 。 具有變頻泵自動輪換控制的變頻恒壓變量供水系統(tǒng) ，變頻泵是定時改變的，即任何一臺并聯(lián)泵都有可能成為變頻 泵。由變頻恒壓變量供水理論可知，為了保證恒壓供水，變頻泵必須是各并聯(lián)泵中的最大者。為此，對于變頻恒壓供水并 變頻泵自動定時輪換的水機，各并聯(lián)水泵的大小應(yīng)相同以保 證恒壓供水。 按變頻器工作原理，在運行中的變頻器不允許在其輸出端 進行切換；否則在切換過程中會使變頻器中的某些電子器件受 到大電流沖擊而降低其壽命。在變頻泵自動輪換過程中，要在變頻器的輸出端進行切換；為了保護變頻 器，在進行自動切 換之前應(yīng)使變頻器停止運行。在變頻器停止運行的條件下， 在其輸出端進行切換。在切換好后再重新啟動變頻器而恢復(fù)正常運行。 有些 變頻恒壓 供水系統(tǒng)還 具有變頻泵自動輪換功能，其優(yōu)點是各并聯(lián)泵可定時輪換到變頻運行，使各并聯(lián)泵的磨損均衡 。 變壓變量 供水系統(tǒng)沒有通用性，在工程上很少應(yīng)用 。 一種實用的變壓變量供水系統(tǒng)叫做準變壓變量供水系統(tǒng)；在準變壓變量供水系統(tǒng)中，其恒壓值隨用水流量增加而躍階上升。 例如多泵并聯(lián)恒 壓供水，當一臺泵工作，其恒壓值為 P1；當投入一臺泵，其恒壓值自動變?yōu)?P1＋ ΔP1；當二、三、四 臺泵投入，其恒壓值分 別自動變?yōu)?P1＋ ΔP1＋ ΔP2， P1＋ ΔP1＋ ΔP2＋ ΔP3， P1＋ ΔP1＋ Δ P2＋ ΔP3＋ ΔP4， …… 。其中 P1，ΔP1， ΔP2， ΔP3， ΔP4， …… 可按需要設(shè)定；因此，準變壓變量系統(tǒng)（設(shè)備）的供水特性可以 十分接近理想的變壓變量供水特性，具有優(yōu)良的節(jié)能效果，這種供水系統(tǒng)（設(shè)備）具有通用性。 具有較強的功能，對供水質(zhì)量、節(jié)約能源和運行可靠性具有較好的改善。 14 第 2 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 主電路設(shè)計 采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器 (PLC)構(gòu)成 控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進行比較，其差值輸入 CPU 運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的 PID 或 PI 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號 (4－ 20ｍＡ )直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓 力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置 PID 運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度，水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。 在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用一臺變頻器連接 3 臺電動機，其中 3水泵電機是小機，具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)； 2水泵電機是大機，只有變頻工作狀態(tài)，每臺電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通 ，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機的額定電流來確定。對于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的 3電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)小機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。 由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表連接，如圖 21 所示。兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在控制臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作 人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動機的過熱保護。 變頻器主電路電源輸入端子（ R、 S、 T）經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（ U、 V、 W）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（ U、 V、 W）的任意兩相。特別是對于有變頻 /工頻 圖 21 電流互感器的接線圖 15 兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻 ／ 工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)的 DC 電抗器，變頻器的 [P1,P+]端子是連接 DC 電抗器之用。 水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。 對于系統(tǒng)中真空泵控制電路，使用一臺三相交流異步電動機和 4 個兩位兩通電磁換向氣閥組成抽取真空的回路。每次抽真空的時候，需要預(yù)先決定需要抽真空的水泵，然后先開啟真空抽取電動機，接著開啟控制要抽真空的水泵的電磁換向氣閥，這樣就能實現(xiàn)系統(tǒng)要求的抽取真空的功能。 控制電路設(shè)計 在 控制電路的設(shè)計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的。為了保護 PLC 設(shè)備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性。 控制電路之中存在電路之間互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現(xiàn)分組的組內(nèi)自動循環(huán)，所以電路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。組內(nèi)互 鎖是指同一組中電動機的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。在實現(xiàn)組內(nèi)互鎖的時候，嚴禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連，而且當大容量電動機變頻工作的時候，小容量電動機要么是工頻工作運行，要么是停止工作。所以在大容量電動機變頻工作的時候，要自動切斷小容量電動機的變頻控制電路?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸入按鈕，控制 PLC 的輸入端口來實現(xiàn)的，當選擇一組機組運行時，按下另一組起動按鈕則為無效操作。 控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機和閥門的當前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計 ，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。 16 PLC 配置 可編 程序 控制器 (PLC)是在電器控制技術(shù)和計算 機控制技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)出來的 ,并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心、把年自動化技術(shù)，計算機技術(shù)通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)控制裝置。目前 PLC 被廣泛用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制。或為一種最重要最普及應(yīng)用場合最多的工業(yè)控 制裝置。電器系統(tǒng)靠機械觸點的動作以實現(xiàn)控制，工作頻率低，機械觸會出現(xiàn)抖動問題，而 PLC 通過程序指令控制半導(dǎo)體電路來實現(xiàn)控制的，速度快，程序執(zhí)行時間在微秒級，不會出現(xiàn)抖動問題， PLC 精度高，定時范圍寬，用戶可根據(jù)需要設(shè)定定時值，修改方便，不受環(huán)境影響。繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化，脫焊，觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。在 PLC 控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成的，加之 PLC 在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，所以繼電器控制系統(tǒng)中的很多問題都能夠避免。 總的來說PLC 具有以下特點： 1． 可靠性高?？删幊炭刂破髟谠O(shè)計、制作、元件的選取上，采用了精選、高度集成化和冗余量大等一系列措施大很大程度上提高了可編程序控制器的可靠性。 2． 控制能力強?？删幊绦蚩刂破鞑坏哂袑﹂_關(guān)量和模擬量的控制能力，還具有數(shù)值運算、 PID 調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)通信、中斷處理等功能。 3． 操作方便。 PLC 提供了多種面向用戶的語言，如常用的梯形圖 LAD，指令語句 表 STL，控制系統(tǒng)流程圖 CSF 等。 4． 具有豐富的 I/O 接口模塊。 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的 I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接 連接。 5． 采 用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外， 絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、 I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 以下是針對本系統(tǒng)所選西門子 PLC 的介紹 1． S7200 型 PLC 的特點 本系統(tǒng) PLC 選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性能 /價格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。 SIEMENS公司的 PLC 具有可靠 性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點； PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 PLC 和上位機的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點對點接口（ PPI）協(xié)議， PC/PPI 電纜可以方 17 便實現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，通信傳輸速率為 或 。用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo。 2． PLC 的開關(guān)量輸入、輸出點 PLC 的輸入、輸出點數(shù)的確定根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入 點 9 個，開關(guān)量輸出點 8 個，如果選用CPU222PLC，也需要擴展單元 PLC，參照西門子 S7200 產(chǎn)品目錄及市場實際價格，選用主機為 CPU224（ 14 輸入 /10 繼電器輸出）。根據(jù)我們的實際情況，這里我們設(shè)計選用 CPU226，同時還加上一個擴展模塊 EM2