【文章內(nèi)容簡介】 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拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇[9]，本設計中采用前者。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上[10]。：恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉換模塊轉換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉速，進而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 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:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài)。(2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。(3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運行)，同時變頻泵M1做工頻運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。(4) 當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關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，將另一臺工頻泵M3關掉。 水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢?由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20HZ左右。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。若出現(xiàn)時就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。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。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實際應用中，相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。實際的機組切換判別條件如下[11]：加泵條件： 且延時判別成立 ()減泵條件： 且延時判別成立 ()式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設定壓力 ：反饋壓力75山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的硬件設計3 系統(tǒng)的硬件設計 系統(tǒng)主要設備的選型根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，： 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。： 本系統(tǒng)主要硬件設備清單主要設備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）Siemens CPU 226模擬量擴展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y100、XMT1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司) PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型。S7200型PLC的結構緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，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電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序實施安全保護[12]。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的S7200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是EM235，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。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。本系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。由于本設計中PLC選擇的西門子S7200型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結構，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能，有內(nèi)置的RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義?？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)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信。 水泵機組的選型水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設計的要求為：電動機額定功率75KW，177。根據(jù)本設計要求并結合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機組（電機功率75KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質，葉輪、導葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結構設計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒、無雜質不揮發(fā)、弱腐蝕介質，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設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。 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變?yōu)?~5V或4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數(shù)字量輸入，當壓力超出上限時，關閉所有水泵并進行報警輸出[13]。根據(jù)以上的分析，本設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。壓力表測量范圍0~1Mpa，；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 液位變送器選型考慮到水泵電機空載時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉換成標準電信號（4~20mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。綜合以上因素：本設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)主電路分析及其設計：三臺電機分別為MMM3，它們分別帶動水泵3。接觸器KMKMKM5分別控制MMM3的工頻運行；接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的變頻運行；FRFRFR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QSQSQSQS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。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。同樣從工頻轉為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KMKM3和KMKM5和KM6絕對不