【文章內(nèi)容簡介】 性等 諸 多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn) 未 達(dá)到所有用戶的要求，只適用于小容量，控制要求不高的供水場所 [4]。雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵恒壓系統(tǒng)正在被多泵恒壓系統(tǒng)取代。雖 然 說 單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡 單 可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率 偏 低，而多泵型產(chǎn)品 因 投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率更 高， 經(jīng) 實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 必將快速 發(fā)展成為 供水的 主導(dǎo)產(chǎn)品。 該產(chǎn)品正在向著高可靠性 、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化 等 方向發(fā)展。追求高度 的 智能化、系列 的 標(biāo)準(zhǔn)化 將 是未來供水設(shè)備 滿足 城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 本文的結(jié)構(gòu) 本文以普通城市小區(qū)恒壓供水作為應(yīng)用背景，對基于 PLC 的變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)行研究。全文共分為七章，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(guān)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(shè)計(jì)方案，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析； 第三章 對變頻恒壓供水進(jìn)行了原理性分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對所需元件進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)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(jìn)行總體設(shè)計(jì)，介紹了各軟件程序部分設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)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(jìn)行仿真軟件調(diào)試和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，然后對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)一步研究的方向。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 恒壓供水系統(tǒng)控制方案確定 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本 設(shè)計(jì)是以 普通 小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象 ， 設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)， 保證整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運(yùn)行工況。 根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。 完成 硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)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(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改。 結(jié)合以上要求可知此次設(shè)計(jì)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(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)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(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。 此設(shè)計(jì)系統(tǒng)以設(shè)定壓力為控制目標(biāo)，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(shí)時 跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)計(jì)值偏差變化情況，經(jīng) PLC 進(jìn)行 PID 運(yùn)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(jī)投運(yùn)臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供 水 [5]。 原理圖如圖 所示 設(shè)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 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(shí)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(guān)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(jī)的頻率 來 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級 調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。 可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測 機(jī)構(gòu) 、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報警裝置等部分 構(gòu) 成。 (1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)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(jī)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 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(jìn)行定量補(bǔ)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(yùn)行， 水庫液位是否超限 、變頻器是否有異常。該信號為開關(guān)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(shè)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(shè)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(jī)接口和通訊接口 所提供 的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出 控制 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案，通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (水泵 ) 進(jìn)行 規(guī)律 控制。 2） 變頻器 :主要作用是實(shí)現(xiàn)對 水泵進(jìn)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(yùn)行頻率， 實(shí)現(xiàn) 對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 3） 電控設(shè)備 :它 包括 一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件。 應(yīng) 用 于在供水控制器的控制下 實(shí)現(xiàn) 對水泵的切換、手 動 /自動切換等。 (4) 人機(jī)界面 人機(jī)界面是人與機(jī)器 進(jìn)行 信息 交互 的場所。 借助于 人機(jī)界面，使用者可以 完成更改設(shè)定壓力，修改系統(tǒng)設(shè)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(jī)界面上 了解 系統(tǒng)的運(yùn)行情況 以 及設(shè)備的工作狀態(tài)。 同時通過 人機(jī)界面報警進(jìn)行顯示 ，使用者 還可以對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)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(jìn)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(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用 到 本系統(tǒng)中， 類似于 可以對系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)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(lǐng)域 均可適用 ，所以為 實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)可靠、平穩(wěn) 、 安全 的運(yùn)行，防止因 為 電機(jī)過載、變頻器 運(yùn)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(jìn)行監(jiān)測， 然后通過 PLC判斷報警類別，進(jìn) 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 行 報警 顯示和保護(hù)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(yùn)行 閉合 自動開關(guān)后， 1泵電機(jī) 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?自壓力傳感器 的信號，經(jīng)運(yùn)算 后 與 系統(tǒng) 給定壓力 值 進(jìn)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(yùn)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(dāng) 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(dá)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(yùn)行 。 等 待電源恢復(fù)后，系統(tǒng) 將 自動恢復(fù)運(yùn)行，然后按 照 自動運(yùn)行方式啟動 1泵變頻 運(yùn)行（與上述規(guī)律相同） ，直 到達(dá)到 給定水壓值 ，系統(tǒng) 穩(wěn)定運(yùn)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(shí)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(yùn)行 當(dāng) 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(yùn)行。 (3) 停止 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)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(yùn)行 連續(xù) 在 某一種控制規(guī)律 下時間達(dá)到 所 設(shè)定時間時自動換泵運(yùn)行。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時間接近，防止 個別供水 泵運(yùn)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(shè)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(kuò)展模塊 PID 運(yùn)算 傳 送給變頻器，并給出直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定 的 信號。當(dāng) 正 在運(yùn)行的 供 水泵全速運(yùn)行， 但仍 未達(dá)到給定壓力 值 時，切換變頻泵到工頻運(yùn)行， 通過 變頻器 軟 啟動另一臺 供水 泵。 (6) 完善 的 保護(hù)、報警功能 在供電控制 回路上對工頻 、 變頻電源實(shí)現(xiàn)電氣 與 機(jī)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 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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(jī)的調(diào)速原理 交流電動機(jī)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(jī)的磁極對數(shù)。 而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsnn ???? （ ） 式中 s 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? ，一般小于 3%。 從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào) 速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)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(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速 運(yùn)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(jī)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(diǎn) 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(fù)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(diǎn) 進(jìn)行 重點(diǎn)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速 n。但 僅通過 電源 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 頻率調(diào)節(jié)， 最終 導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)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(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用 。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 兩者 之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。 因?yàn)?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(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu間的關(guān)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(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)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(shí)際上改變 的是 在某一揚(yáng)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(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。管阻特性曲線 和 揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)，稱 之