【文章內(nèi)容簡介】 對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設(shè)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(zhuǎn)換， 將另兩 臺 工頻 泵 M M4 根據(jù)先啟先停原則依次關(guān)掉 。 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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)，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(shè)定壓力上下波動。 若出現(xiàn) sfPP?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(shè)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(shè)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10 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(yīng)用中，相應(yīng)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(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。 實際的機組切換 判別條件如下 ： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 (22) 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 (23) 式中： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 三、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 （一） 系統(tǒng)主要設(shè)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)的電氣控制總框圖如圖所示 ： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報 警 、 控 制等 量 輸 出人 機 界 面上 位 機 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 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(shè)備應(yīng)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。主要設(shè)備選型如表所示： 11 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號 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 水泵 4 臺 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 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(shè)備相對較少，因此 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(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo。 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(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16點，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開關(guān)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(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，一個字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)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(guān)進行設(shè)置。 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻12 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(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻器。 由于本設(shè)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(jié)構(gòu)，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(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。 MicroMaster440變頻器的輸出功率為 ~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(shè)備之間的通信。 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(shè)計的要求為：電動機額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。 。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)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(zhì)，葉輪、導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，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(shè)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。 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)?1~5V 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(shè)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(guān) 閉所有水泵并進行報警輸出。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)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，精度 ；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(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 13 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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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： 級。 （二） 統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如 下 圖所示：四臺電機分別為 M MM M4，它們分別 帶動水泵 4。接觸器 KM KM KM KM7 分別控制M M M M4 的工頻運行；接觸器 KM KM KM KM8 分別控制 M M M M4的變頻運行； KH KH KH KH4 分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器； QSQS QS QS QS5 分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 4 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)四臺水泵都可輪流做變頻泵。 14 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)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(guān)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(guān)。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(yīng)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(zhuǎn)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 KM KM3 和 KM KM5 和 KM KM7 和 KM8 絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機負載運行情況，主