【文章內(nèi)容簡介】 能更加齊全，可以完成開方， PID運(yùn)算，浮點(diǎn)運(yùn)算的操作，還可以和 CRT，打印機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)程序，數(shù)據(jù)的顯示和打印。 (6)回路的控制 有些 PLC具有 A/D， D/A轉(zhuǎn)換的功能，可以 方便對模擬量的控制和調(diào)節(jié)，一般情況下，模擬量為 4～ 20mA的電流，或 1～ 5V， 0～ 10V的電壓；數(shù)字量為 8位或 12 位的二進(jìn)制數(shù)。 (7)通信聯(lián)網(wǎng) 有些 PLC采用通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 I/O控制，多臺 PLC之間的同位連接， PLC與計算機(jī)之間的通信等。利用 PLC的同位連接，可以把十臺 PLC采用同級或分級的方式連成網(wǎng)絡(luò)，使各臺 PLC的 I/O狀態(tài)相互透明。采用 PLC與計算機(jī)之間的通信連接，可以用計算機(jī)作為上位機(jī)，下面連接數(shù)十臺 PLC作為現(xiàn)場控制機(jī)，構(gòu)成“集中管理，分散控制”的分布式控制系統(tǒng)，以完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 (8)監(jiān)控 PLC設(shè)置了較強(qiáng)的監(jiān)控功能。利用編程器或監(jiān)視器，操作人員可以對 PLC有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。 7 (9)停電記憶 PLC內(nèi)部的部分存儲器所使用的 RAM設(shè)置了停電保持器件 (如備用電池等 ) ，以保證斷電后這部分存儲器中的信息能夠長期的保存。利用某些記憶指令可以對工作狀態(tài)進(jìn)行記憶，以保持 PLC斷電后的數(shù)據(jù)內(nèi)容不變。 PLC電源恢復(fù)后，可以在原工作基礎(chǔ)上繼續(xù)工作。 (10)故障診斷 PLC可以對系統(tǒng)構(gòu)成，某些更件狀態(tài)，指令的合法性等進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)生報警并顯示錯誤類型，如屬嚴(yán)重錯誤則自動中止運(yùn)行 。 PLC故障自診斷功能。大大的提高了PLC控制系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性。 由于 PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得 PLC在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應(yīng)用。 PLC在水工業(yè)自動化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、 SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測以監(jiān)測等。 本文的主要研究內(nèi)容 經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合供水廠的生產(chǎn)實(shí)際，本次研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)是基于PLC的三臺變頻器拖動三臺電機(jī)變頻運(yùn)行的恒 壓供水自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟起動和調(diào)速 ，同時把閥門控制和水泵電機(jī)控制都納入自動控制系統(tǒng)。具體而言，論文包括以下內(nèi)容： 1．變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的背景和意義，簡述了目前我們常用的供水系統(tǒng)，根據(jù)社會發(fā)展的需要必須要進(jìn)行技術(shù)改造，變頻器的廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無公害化發(fā)展，從而可以看出變頻調(diào)速恒壓供水的廣泛前景；同時介紹了該供水系統(tǒng)起關(guān) 鍵作用的變頻調(diào)速技術(shù)和 PLC的發(fā)展以及其特點(diǎn)。 2．變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論原理 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)及工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。 3．介紹了基于 PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三臺變頻器拖動三臺水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點(diǎn)對變頻調(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)計和 PLC 程序 構(gòu)成 進(jìn)行研究。 8 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介 供水系統(tǒng)的基本特性 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)管路中的閥門開度變?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 21所示。由圖 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 vQ 之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔?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( vQ )。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(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，揚(yáng)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)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 vQ 之間的關(guān)系 H=f ( cQ )。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 21中 A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 vQ 和供水系統(tǒng)的供水流量 cQ 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，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 21 供水系統(tǒng)的基本特性 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，即通過改變電動機(jī)定子電源頻率來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管 網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。 如圖 22所示， n為水泵特性曲線 ,A為管路特性曲線 ,H0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力 , H? 為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax時 ,水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn) ,出口閥門全開 ,達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行 ,水泵的特性曲線 n0和用水管路特性曲線 A0匯交于 b點(diǎn) ,此時 ,水泵報出口壓力為 H? ，末端服務(wù)壓力剛好為 H0。當(dāng)用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過程中 ,采用不同的控制方案 ,其水泵的能耗也不同。 管組特性 揚(yáng)程特性 A HA H(m) QA )/( 3 smQ 9 泵全速時泵出口壓力恒定時管網(wǎng)末端恒定時泵出口恒定時揚(yáng)程流量關(guān)小閥門時泵速下調(diào)到 時泵速下調(diào)到 1時) 圖 22 節(jié)能分析曲線圖 （ 1）水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b點(diǎn)上滑到 c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由 b點(diǎn)滑到 d點(diǎn)，這樣， c點(diǎn)和 d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 （ 2）水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制：此時，當(dāng)用水量由 Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)始終在 H? 上平移。在水量到達(dá) Q1時，相應(yīng)的水泵特性曲線為 nx，面管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點(diǎn) e即為此時的工況點(diǎn)。這樣，在水量減少到 Q1時，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到 H1H0，則 h1即為水泵的能量浪費(fèi)。 （ 3） 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制：此時，當(dāng)用水量由 Qmax下降到Q1 時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)?n1，其工況點(diǎn)為 d點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)始終沿 A0 滑動。管網(wǎng)的服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口 恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1。 根據(jù)水泵的相似原理： Q1/Q2=n1/n2 （ 2— 2） H1/H2=(n1/n2)*2 （ 2— 3） P1/P2 =(n1/n2)*3 （ 2— 4） 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸的功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。 根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲 得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)落后相結(jié)合，達(dá)到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的。保證了居民用水壓力的可靠。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機(jī)組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性，另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步 電動機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速 10 n為 ： n =120 f(1s)/p （ 2— 5） 式 25中 s 為電機(jī)的滑差 (s=)， p為電機(jī)極對數(shù)， f 為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后， p和 s為定值，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低。變頻調(diào)速是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速的。 由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q和功率 N的關(guān)系為 ： N = PQ （ 2— 6） 又功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn) 速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。 變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機(jī)理分析 管路水力損失及性能曲線 管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種，即 jys hhh ?? () 沿程損失： 2LQh yy ?? () 局部損失： ?? ?? 22222 QgAgh jjj ??? () 式中 y? －管路沿程摩擦損失系數(shù)； j? －局部損失系數(shù)； L－管路長度 (m)； ? －各局部損失的計算流速 (m/s)； A －過水截面的面積 ( 2m )。 將式 ()和 ()代人 ()可得 222222 22 SgALQgALQh jyjys ????????? ???? ?? ???? () 式中 S被稱為管路阻力系數(shù)。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)確定后，相應(yīng)的 y? 、 j? 、 L、 A等參數(shù)都能確定， S 也就確定了。由式 ()可知管路水力損失與流量的平方成正比。當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水頭損失就等于上下水位差（即實(shí)際揚(yáng)程 sjH ）加上管路損失 [11]。 ssjx HHH ?? () 由式 ()可以得到如圖 23所示的 QHx? 管路性能曲線。 水泵工作點(diǎn)的確定和調(diào)節(jié) 1．水泵工作點(diǎn)的確定 如果把某一水泵的性能曲線（即 H~Q 曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中，如圖23所示，則這兩條曲線的交點(diǎn) A就是水泵的工作點(diǎn)。若把水泵的效率曲線η Q也畫在同一坐標(biāo)系中，可以找出 A點(diǎn)的揚(yáng)程 AH 、流量 AQ 以及效率 A? 。 11 從圖中可以看出，水泵在工作點(diǎn) A點(diǎn)提供 的揚(yáng)程和管路所需的水頭損失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到能量和流量的平衡，這個平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。 2．水泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié) 交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電源頻率 f具有如下關(guān)系： )1(60 spfn ?? () 式中： p－極對數(shù)； s－轉(zhuǎn)差率 因此不改變電動機(jī)的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。變頻器調(diào)速的工作原理就是 通過選擇電壓頻率比（ V/F）曲線，設(shè)定加減速時間以及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，使電動機(jī)起動時轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實(shí)現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚(yáng)程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴(kuò)展了水泵的高效運(yùn)行范圍。 當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從 n1降低到 n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚(yáng) 程 H和軸功率 N 以相應(yīng)規(guī)律改變。 ????? HQkN () 1212 / nn ? () ? ?21212 nnHH ? () 將式 ()和 ()代入 ()可得： ? ?31212 nnNN ? () η A AH AAH x QAH～Qn 1η ～ Q 圖 23 水泵工作點(diǎn)的確定 12 η AηCQ AQ C Qη ～ Qn 1n 2H 0HH ～Q 相似工況拋物線Hx ～Q 管路性能曲線H ～Q 水泵性能曲線 圖 24 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖 式 ()中： ?－水的比重； k－功率常數(shù)。 從上述比例律公式中消去 n1/n2就得到下式 22121 ????????? HH () 即 kQHQH ?? 222211 或 2kQH? () 式 ()是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變電源的頻率來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。由圖 24可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚(yáng)程）為 H0，