【文章內容簡介】 等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的 PLC 生產廠家。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 4 主要研究內容 變頻恒壓供水系統(tǒng)是利用變頻器、 PLC 等器件的有機結合，構成控制系統(tǒng)，調節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐等，實現(xiàn)恒壓供水。通過對 水泵的智能變頻調速控制不僅能實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且有利于實現(xiàn)供水的自動控制，遠程監(jiān)測，實現(xiàn)生產的自動化。 對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對水的壓力的需求。本文介紹的恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程序控制器進行邏輯控制 ,采用變頻器進行壓力調節(jié)。變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件 ,時刻跟蹤管網壓力與給定壓力的偏差變化 ,經PID 運算 ,通過可編程序控制器控制變頻與工頻切換 ,自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉速 ,實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)恒壓變量供水 ,在保持恒壓下達到控制流量的目的。 論文首先 對水泵電機的 調控技術進行分析和比較，在此基礎上，提出了本文的主要研究內容和研究方法。對變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的構成和工作過程、控制系統(tǒng)的硬件設計 進行研究 ，通過學習 德國 SIMENS 公司的 S7300， 的硬件及其 編程語言，做出控制用的相關程序。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 第二章 變頻調速恒壓供水系統(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。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質的二次污染。對于多層住宅來說，是 一種比較完善的供水系統(tǒng)。 在自動恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網是封閉的，泵站供水的流量是由用戶實際用水量決定的。根據(jù)反饋原理 :要維持一個物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不變，就應該引入這個物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因為在恒壓供水系統(tǒng)中，我們要想保持的供水管網的壓力恒定，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)一個非線性、大慣性的時滯系統(tǒng)，并且無法獲得其相應的精確數(shù)學模型，所以傳統(tǒng)的經典控制理論已經不能滿足要求，而采用自適應控制與模糊控制相結合的控制方法，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 :是單位時間內流過管道內某一截面的水量，符號是 Q，常用單位是 m3/s、 m3/ m、m3/ h 等。供水系統(tǒng)的基本任務就是要滿足用戶對流量的需求。 揚程 :是單位質量的水被水泵上揚時所所獲得的能量，符號是 H，常用單位是 m。 揚程主要包括三個方面： (1)提高水位所需的能量 ； (2)克服水在管道中的流動阻力 (管阻 )所需的能量 ； (3)使水流具有一定流量所需的能量。 由于在同一個管路中，上述的 (2)和 (3)基本不變，在數(shù)值上也相對較小?？梢哉J為，提高水位所需的 能量是揚程的主體部分。因此，在同一管路內進行分析時，常簡略地把水從一個位置 “ 上揚 ” 到另一個位置時，水位地變化量 (即對應地水位差 )，用來表示揚程。 [3] 管阻 ： 是表示管道系統(tǒng) (包括水管、閥門等 )對水流阻力的物理量， 符號 是 R，因為不是常數(shù)，難以簡單地用公式來定量地計算，通常用揚程與流量之間的關系曲線來描述。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 壓力：是表示供水系統(tǒng)中某個位置 (某一點 )水壓的物理量，符號是 P。其大小在靜態(tài)時主要取決與管路的結構和所處的位置，而在動態(tài)情況下，還與供水流量和用水流量之間的平衡情況有關。 轉速：每分鐘泵軸的旋轉次數(shù)，常用 n 表示，單位是轉 /分 (rpm)。 功率：泵的功率大多是指軸功率，即泵在運轉時，在一定的流量和揚程下，電動機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間內對流經泵的水做的功，可根據(jù)流量、揚程計算出來。 效率：泵在工作時，由于機械的摩擦，管路的摩擦和局部的阻力，以及泵內液體回流和密封不嚴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 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門狀態(tài)不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D速下?lián)P程 H 與流 量 Q 之間的關系曲線 f(Q)，如圖 所示。由圖 可以看出，流量 Q 越大，揚程 H 越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量之間 Qu 之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚程 H 與流量 Q 之間的關系 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，實際上是改變了在某一揚程下 ，供水系統(tǒng) 對 用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 QG 之間的關系H=f(QG)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 中 A點。在這一點，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)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 HAH( m )揚 程 特 性管 阻 特 性QAQ ( m3/ s )A0 圖 供水系統(tǒng)的基本特性 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 變頻調速的原理及節(jié)能原理 變頻調速的原理 變頻 調速 恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由鼠籠式 異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的。 異步電機的轉差率定義： s nnn?? 1 異步電機的同步速度為： n1=pf60 異步電機的轉速為： n=p sf )1(60 ? 其中： n—異步電機的理想空載轉速 ； n—異步電 機轉子轉速 ； f—是異步電機的定子電源頻率 ； p—為異步電機的極對數(shù) 。 從上式可知，當極對數(shù) p 不變時，電機轉子轉速 n 與定子電源頻率 f 成正比，因此連續(xù)調節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調節(jié)電機的同步轉速，從而調節(jié)其轉子的轉速。變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調速性能可與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的調速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調速。 變頻調速 拖動系統(tǒng)是由變 頻器供電的電動機帶動生產機械運轉的系統(tǒng)。描述了轉速n 和轉矩 T 之間的關系 )(Tfn? 稱為機械特性。拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定工作取決于電動機和負載的機械特性。一般負載的機械特性有三類 :恒轉矩負載、恒功率負載、二次方率負載 (泵類負載 )。 三相異步電動機定子相電動勢的有效值為公式 ： mkfNE ?? (21) 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 式中 : E— 定子每相的磁感應電動勢 k— 與繞組結構有關的常 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 E 和 f 進行適當?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通m?保持額定值不變。 即使 ： CCfE m ??? 1/ (22) 上式中常數(shù) NKC 11 ? 。 式 (22)表示了感應電動勢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。 變頻調速運行的節(jié)能原理 在供水系統(tǒng)中 ， 最根本的控制對象是流量。常見的方法有閥門控制法和轉速控制法。 閥門控制法 :通過關小或打大閥門來調節(jié)流量，而轉速則保持不變 (通常為額定轉速 )。 閥門控制法的實質是，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 )， 以適應用戶對流量的需求。這時，管阻 特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。圖 為水泵特性曲線，設用戶所需流量從 QA 減小為 QB，當通過關小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€ ③ ，而揚程特性則仍為曲線 1，故供水系統(tǒng)的工作點 從 A 點移至 B 點。這時流量減小了，但揚程卻從HTA 增大為 HTB；供水功率與面積 OEBF 成正比 [4]。 轉速控制法 ： 即通過改變水泵的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度則保持不變 (通常為最大開度 )。轉速控制法實質是通過改變水泵的揚程來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。當用戶所需流量從 QA 減小到 QB，轉速下降時，揚程特性下降為曲線 ④ ，管阻特性仍為曲線 ② ，故工作點移至 C 點。此時揚程減小為 HTc，供水功率與面積 OECH 成正比。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 圖 水泵特性曲線 轉速控制法節(jié)能的 3 個方面 (1)通過上文對兩種調節(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，轉速控制時的揚程比閥門控制時的小得多，所以轉速控制方式所需得供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差便是轉速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 HCBF成正比。 (2)同時在轉速控制方式下，水泵的工作效率要比閥門控制方式的工作效率大得多 ，這是變頻調速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個方面。 (3)采用轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當降低轉速，由于電動機在低頻運行時，變頻器的輸出電壓也將下降，從而提高了電機的工作頻率。 恒壓供水的特點 對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根到底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，但揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態(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 )之間的平衡情況關系有關，即供水能力大于用水需求時壓力上升，供水能力小于用水需求時壓力下降，當兩者相等時壓力不變。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。當供水系統(tǒng)中某處壓力恒定時，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。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 本章小結 水泵的工作點就是同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點，由于水泵工作點是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。本章從水泵理論和管網特性曲線分析入手，討論水泵工作點 (工況點 )的確定方法。接著介紹了水泵工況調節(jié)的幾種常用方法。在變頻調 速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出了 轉速控制法下水泵的 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， 提高了電機的效率。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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、 水泵電機組、 壓力傳感器以及接觸器控制柜等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 2 臺電動機的起動、運行與調速。 S7300 系列 PLC 簡介 S7300 的概況 S7300屬于模塊式 PLC，主要由機架、 CPU 模塊、信號模塊、 功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成。 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），它可以調用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調用 OB1，在 OB1 中可以調用其它邏輯塊 (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 內部的輸入 /輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批 量輸出。 循環(huán)時間（ Cycle time）是指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次圖 所示的循環(huán)操作所需的時間，又稱為掃描循環(huán)時間（ 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 MPI（多點接口）網絡或 DP 網絡。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ）