【文章內(nèi)容簡介】 等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產(chǎn)廠家。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 4 主要研究內(nèi)容 變頻恒壓供水系統(tǒng)是利用變頻器、 PLC 等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐等，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。通過對(duì) 水泵的智能變頻調(diào)速控制不僅能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，而且有利于實(shí)現(xiàn)供水的自動(dòng)控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)水的壓力的需求。本文介紹的恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程序控制器進(jìn)行邏輯控制 ,采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件 ,時(shí)刻跟蹤管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化 ,經(jīng)PID 運(yùn)算 ,通過可編程序控制器控制變頻與工頻切換 ,自動(dòng)控制水泵投入的臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水 ,在保持恒壓下達(dá)到控制流量的目的。 論文首先 對(duì)水泵電機(jī)的 調(diào)控技術(shù)進(jìn)行分析和比較，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 進(jìn)行研究 ，通過學(xué)習(xí) 德國 SIMENS 公司的 S7300， 的硬件及其 編程語言，做出控制用的相關(guān)程序。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)簡述 供水系統(tǒng)概述 自 80 年代初，全國各行業(yè)大力開展節(jié)能工作。自此，住房小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調(diào)速恒壓供水代替以前的重力供水、氣壓供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點(diǎn)。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質(zhì)的二次污染。對(duì)于多層住宅來說，是 一種比較完善的供水系統(tǒng)。 在自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶實(shí)際用水量決定的。根據(jù)反饋原理 :要維持一個(gè)物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不變，就應(yīng)該引入這個(gè)物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)樵诤銐汗┧到y(tǒng)中，我們要想保持的供水管網(wǎng)的壓力恒定，因此就必須引入水壓反饋值與給定的壓力值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。 但由于供水系統(tǒng)一個(gè)非線性、大慣性的時(shí)滯系統(tǒng)，并且無法獲得其相應(yīng)的精確數(shù)學(xué)模型，所以傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論已經(jīng)不能滿足要求，而采用自適應(yīng)控制與模糊控制相結(jié)合的控制方法，可以很好的滿足壓力 恒定的要求 。 供水系統(tǒng)的主要特性 供水系統(tǒng)的主要參數(shù) 流量 :是單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水量，符號(hào)是 Q，常用單位是 m3/s、 m3/ m、m3/ h 等。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)就是要滿足用戶對(duì)流量的需求。 揚(yáng)程 :是單位質(zhì)量的水被水泵上揚(yáng)時(shí)所所獲得的能量，符號(hào)是 H，常用單位是 m。 揚(yáng)程主要包括三個(gè)方面： (1)提高水位所需的能量 ； (2)克服水在管道中的流動(dòng)阻力 (管阻 )所需的能量 ； (3)使水流具有一定流量所需的能量。 由于在同一個(gè)管路中，上述的 (2)和 (3)基本不變，在數(shù)值上也相對(duì)較小?？梢哉J(rèn)為，提高水位所需的 能量是揚(yáng)程的主體部分。因此，在同一管路內(nèi)進(jìn)行分析時(shí)，常簡略地把水從一個(gè)位置 “ 上揚(yáng) ” 到另一個(gè)位置時(shí)，水位地變化量 (即對(duì)應(yīng)地水位差 )，用來表示揚(yáng)程。 [3] 管阻 ： 是表示管道系統(tǒng) (包括水管、閥門等 )對(duì)水流阻力的物理量， 符號(hào) 是 R，因?yàn)椴皇浅?shù)，難以簡單地用公式來定量地計(jì)算，通常用揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系曲線來描述。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 壓力：是表示供水系統(tǒng)中某個(gè)位置 (某一點(diǎn) )水壓的物理量，符號(hào)是 P。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決與管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，還與供水流量和用水流量之間的平衡情況有關(guān)。 轉(zhuǎn)速：每分鐘泵軸的旋轉(zhuǎn)次數(shù)，常用 n 表示，單位是轉(zhuǎn) /分 (rpm)。 功率：泵的功率大多是指軸功率，即泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的流量和揚(yáng)程下，電動(dòng)機(jī)輸送給泵軸上的功率，常用 N 表示，單位是千瓦 k(W)。有效功率是泵在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流經(jīng)泵的水做的功，可根據(jù)流量、揚(yáng)程計(jì)算出來。 效率：泵在工作時(shí)，由于機(jī)械的摩擦，管路的摩擦和局部的阻力，以及泵內(nèi)液體回流和密封不嚴(yán)的外漏造成能量的損耗，有效功率與軸功率的比值就是泵的效率，常用 q表示。 供水系統(tǒng)的特性與工作點(diǎn) 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門狀態(tài)不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流 量 Q 之間的關(guān)系曲線 f(Q)，如圖 所示。由圖 可以看出，流量 Q 越大，揚(yáng)程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量之間 Qu 之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f(QG)管阻特性反映了水泵的能量用來克服水泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖 可知，在同一閥門開度下?lián)P程 H 越大，流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下 ，供水系統(tǒng) 對(duì) 用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 QG 之間的關(guān)系H=f(QG)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 中 A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 Qu 和供水系統(tǒng)的供水流量 QG處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 HAH( m )揚(yáng) 程 特 性管 阻 特 性QAQ ( m3/ s )A0 圖 供水系統(tǒng)的基本特性 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 變頻調(diào)速的原理及節(jié)能原理 變頻調(diào)速的原理 變頻 調(diào)速 恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由鼠籠式 異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義： s nnn?? 1 異步電機(jī)的同步速度為： n1=pf60 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： n=p sf )1(60 ? 其中： n—異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速 ； n—異步電 機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ； f—是異步電機(jī)的定子電源頻率 ； p—為異步電機(jī)的極對(duì)數(shù) 。 從上式可知，當(dāng)極對(duì)數(shù) p 不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。 變頻調(diào)速 拖動(dòng)系統(tǒng)是由變 頻器供電的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。描述了轉(zhuǎn)速n 和轉(zhuǎn)矩 T 之間的關(guān)系 )(Tfn? 稱為機(jī)械特性。拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作取決于電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性。一般負(fù)載的機(jī)械特性有三類 :恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、二次方率負(fù)載 (泵類負(fù)載 )。 三相異步電動(dòng)機(jī)定子相電動(dòng)勢(shì)的有效值為公式 ： mkfNE ?? (21) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 式中 : E— 定子每相的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) k— 與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常 數(shù) f — 定子頻率 (Hz) N— 每 相繞組 串聯(lián) 匝數(shù) m?— 每極磁通量 (Wb) 由上式可見 ，m?的值由 E 和 f 共同決定的，對(duì) E 和 f 進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲涂梢允箽庀洞磐╩?保持額定值不變。 即使 ： CCfE m ??? 1/ (22) 上式中常數(shù) NKC 11 ? 。 式 (22)表示了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)有效值與頻率之比為常數(shù)的控制方式。如果采用這種控制方式，則由基頻降至低頻的變速控制 過程中都能保持，可以活得很好的效果，因此這是一種較為理想的控制方式。 變頻調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 在供水系統(tǒng)中 ， 最根本的控制對(duì)象是流量。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。 閥門控制法 :通過關(guān)小或打大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變 (通常為額定轉(zhuǎn)速 )。 閥門控制法的實(shí)質(zhì)是，水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來改變供水的能力 (反映為供水流量 )， 以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)，管阻 特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。圖 為水泵特性曲線，設(shè)用戶所需流量從 QA 減小為 QB，當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€ ③ ，而揚(yáng)程特性則仍為曲線 1，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 從 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)。這時(shí)流量減小了，但揚(yáng)程卻從HTA 增大為 HTB；供水功率與面積 OEBF 成正比 [4]。 轉(zhuǎn)速控制法 ： 即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變 (通常為最大開度 )。轉(zhuǎn)速控制法實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的揚(yáng)程來適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。當(dāng)用戶所需流量從 QA 減小到 QB，轉(zhuǎn)速下降時(shí)，揚(yáng)程特性下降為曲線 ④ ，管阻特性仍為曲線 ② ，故工作點(diǎn)移至 C 點(diǎn)。此時(shí)揚(yáng)程減小為 HTc，供水功率與面積 OECH 成正比。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 圖 水泵特性曲線 轉(zhuǎn)速控制法節(jié)能的 3 個(gè)方面 (1)通過上文對(duì)兩種調(diào)節(jié)流量的方法的比較，可以看出 :在所需流量小于額定流量的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)的小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需得供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 HCBF成正比。 (2)同時(shí)在轉(zhuǎn)速控制方式下，水泵的工作效率要比閥門控制方式的工作效率大得多 ，這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。 (3)采用轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器的輸出電壓也將下降，從而提高了電機(jī)的工作頻率。 恒壓供水的特點(diǎn) 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根到底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力 (供水流量 )和用水需求 (用水流量 )之間的平衡情況關(guān)系有關(guān)，即供水能力大于用水需求時(shí)壓力上升，供水能力小于用水需求時(shí)壓力下降，當(dāng)兩者相等時(shí)壓力不變。供水能力和用水需求之間的矛盾具體反映在水壓的變化上。從而壓力就成為用來作為控制流量大小的參變量。當(dāng)供水系統(tǒng)中某處壓力恒定時(shí)，供水與用水處于平衡狀態(tài)，恰好滿足用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所具有的特點(diǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 本章小結(jié) 水泵的工作點(diǎn)就是同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)，由于水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(diǎn) (工況點(diǎn) )的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào) 速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出了 轉(zhuǎn)速控制法下水泵的 供水功率也比閥門控制方式 大 得多 ， 工作效率要比閥門控制控制方式下大得多， 提高了電機(jī)的效率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 第三章 恒壓供水系統(tǒng)部件選擇 系統(tǒng)概述 系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、 水泵電機(jī)組、 壓力傳感器以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng) 2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速。 S7300 系列 PLC 簡介 S7300 的概況 S7300屬于模塊式 PLC，主要由機(jī)架、 CPU 模塊、信號(hào)模塊、 功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。 圖 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。 OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動(dòng)完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用 OB1，在 OB1 中可以調(diào)用其它邏輯塊 (FB, SFB, FC 或 SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中， CPU 并不直接訪問 I/O 模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問 CPU 內(nèi)部的輸入 /輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批 量輸出。 循環(huán)時(shí)間（ Cycle time）是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次圖 所示的循環(huán)操作所需的時(shí)間，又稱為掃描循環(huán)時(shí)間（ Scan Cycle Time）或掃描周期。 S7300 系列 PLC 簡介 S7300 的 CPU 模塊（簡稱為 CPU）都有一個(gè)編程用的 RS485 接口，有的有PROFIBUSDP 接口或 PtP 串行通信接口，可以建立一個(gè) MPI（多點(diǎn)接口）網(wǎng)絡(luò)或 DP 網(wǎng)絡(luò)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ）