【文章內容簡介】 即根據實際設定水 壓自動調節(jié)水泵電機的轉速 ， 自動補償用水量的變化，以保證供水管網的壓力保持在設定值 ,既可以滿足生產供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現恒壓供水 [6]。 整個系統(tǒng)由一臺 PLC， 一臺變頻器，水泵機組（本系統(tǒng)設計為 3 臺），一個壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構成。 各部分功能如下： （ 1） 水泵用來提高水壓以實現向高處供水； （ 2） 安裝于供水管道上的遠傳壓力表將管網水壓力轉換成電信號； （ 3） 變頻調速器用于調節(jié)水泵轉速以調節(jié)管網中水流量； （ 4） PLC 用于水泵的邏輯切換、控制 等； （ 5） 外圍輔助電路可 以當自動控 制系統(tǒng)出現故障時可以通過人工調節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，以保障連續(xù) 供水 。 系統(tǒng)主要的設計任務是利用 PLC 控制系統(tǒng) 使變頻器循環(huán)控制 3 臺水泵，實現管網 水 壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時對運行 過程中的 數據 信號 進行傳輸 ，處理。 通過壓力傳感器檢測管道壓力信號不斷反饋給變頻器，有變頻器自動調節(jié)所控制水泵的電機轉速，當變頻器所控制的水泵達到工頻時還不能滿足要求時由 PLC 自動把那臺水泵切換到工頻運行，把變頻器自動切換到下一臺水泵使其軟啟動運行，當供水量減少時在自動進行切換，減少水泵運行臺數 ，實現自動控制。系統(tǒng)設計時考慮到水泵切換時電機的自感電動勢現象，各種連鎖保護及報警、應急措施。 系統(tǒng) 總體 框圖如下 ： 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 8 變 頻 器P L C用戶 水 源壓 力 傳 感 器控 制信 號電 源K M 1 K M 3 K M 5 K M 0 K M 2 K M 41 2 3 M3 ～M3 ～M3 ～ 圖 22 系統(tǒng)總體框圖 從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構、信號檢測、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 (1)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括 PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設備三個部分。 ① PLC系統(tǒng) :它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析 、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 9 接觸器對執(zhí)行機構 (即水泵 )進行控制。 ② 變頻器 :它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 ③ 電控設備 :它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換等。 （ 2） 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測水壓信號反饋信息和系統(tǒng)報警信號 。 ① 水壓信號 :反映了用戶管網的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關鍵反饋信號。 ② 報警信號 :監(jiān)測 系統(tǒng)是否正常運行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，為開關量信號。 （ 3） 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構就是一組水泵，它們協(xié)調工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵工作，使得用戶管網的水壓保持恒定。 （ 4） 報警裝置 任何一個自動控制系統(tǒng)，都離不開報警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運行，防止因水泵過載、變頻器異常、電網出現大波動、水源中斷、泵站內溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，經 PLC收集判斷 ，進行各種顯示和保護動作控制，維護系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 供水系統(tǒng)的控制流程 系統(tǒng) 流程 圖如圖 23所示 。 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中 壓 力傳感器 將主水管網壓力信號轉換成電 信號再 經 PID運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉速和泵水量以使管網的壓力穩(wěn)定，由此構成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為 PLC進行邏輯切換、起停泵的依據 。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 10 變頻器水泵電機壓力傳感器PLC 用戶出口水壓檢測點 圖 23 變頻調速恒壓供水系統(tǒng) 流程 圖 合上空氣開關，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)， PLC中程序首先接通 KM6，并起動變頻器。根據壓力設定值 (根據管網壓力要求設定 )與 壓力實際值 (來自于壓力傳感器 )的偏差進行PID調節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實現恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給PLC， PLC則根據管網壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第 2臺泵 (或第 3臺泵 )。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則 PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下 1臺泵變頻運行。此時 PID會繼續(xù)通過由 遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。 增泵工作過程：假定增泵順序為 l、 3泵。開始時， 1泵電機在 PLC控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節(jié)。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在 PLC的邏輯控制下將 1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開， 1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與 2泵電機連接， 控制 2泵投 入調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運行，控制 3泵投入變頻運行。 減泵工作過程：假定減泵順序依次為 1泵。當供水壓力大于預置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 11 運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當 將最后一臺正在運行的水泵置于低速運行 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析 在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己 運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，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。 盡管通用變頻器的頻率都可以在 0400Hz范圍內進行調節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時， 只能在 50Hz時進行。由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50Hz成為頻率調節(jié)的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經到達 50Hz時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數量來實現。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0Hz。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到 0Hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網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，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于 0Hz,具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在 20Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節(jié)的下限頻率。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 12 在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判 別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如 12分鐘），如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作 ； 如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 13 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 PLC 選型及接線 PLC 選型 PLC 即 可編程序控制器， 是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時 /計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是 PLC 的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而 是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的 PLC 后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應用于生產實踐 [1]。 PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇 PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術指標和質量至關重要的 。 PLC選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護使用方便及最佳的性能價格比 。 目前市場上的 PLC種類繁多， 近年來，從美國、日本、德國引進的 PLC產品及國內廠家組 裝或自行開發(fā)的產品已有幾十個系列，上百種型號。其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有自己的特點，適用場合也各有側重。因此，合理選擇 PLC，對于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標起著重要的作用。一般選擇機型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇可從以下幾個方面來考慮。世界各國生產廠家生產的 PLC雖然外觀各異，但作為工業(yè)控制計算機，其硬件結構都大河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 14 體相同。主要由中央處理器（ CPU） 、存儲器（ RAM、 ROM） 、輸入輸出單元（ I/O）接口、電源及外圍設備等 幾大部分構成。 PLC的硬件結構框圖如圖 31所示： 電源輸入單元外設接口輸出單元擴展接口運算器控制器系統(tǒng)程 （ ROM ）用戶程序 ( RA M )微處理器 ( CP U )存儲器主機輸入設備輸出設備編程器磁帶機打印機EP ROM 寫字機圖形監(jiān)控系統(tǒng)外圍設備PLC 或上位計算機擴展單元 圖 31 PLC的硬件結構框圖 在選擇 PLC 的型號時一般從以下幾個方面來考慮 ： (1)功能要適當。 PLC 的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要。控制系統(tǒng)需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的 PLC，當然要兼顧維修、備件的通用性。 (2)I/O 點數是基礎。準確地統(tǒng)計出被控設備對輸入輸出點數的總需要量是PLC 選型的基礎。把各輸入設備和被控設備詳細列出，然后在實際統(tǒng)計出 I/O點數的基礎上加 15%～ 20%的備用量，以便今后調整和擴充。 (3)充分考慮輸入輸出信號 的性質。除決定好 I/O 點數外，還要注意輸入輸出信號的性質、參數等。 (4)估算系統(tǒng)對 PLC 響應時間的要求。對于大多數應用場合來說， PLC 的響應時間不是主要的問題。響應時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。 PLC 的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久時間小于掃描周期的輸入信號。為此，需要選取掃描速度高的 PLC，像 FX2N 型 PLC 能處理速度達河南理工大學畢業(yè)設計 (論文 )說明書 15 。 (5)根據程序存儲器容量選型。 PLC 的程序存儲器容量通常以字或步為單位。 PLC 的程序步是由一個字構成的，即每個程序步占一個存儲器單元 。用戶程序所需存儲器容量可以預先估算。對于開關量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的字數等于 I/O 信號總數乘以 8。 關于 PLC 的選型問題，當然還應考慮到 PLC 的聯(lián)網通信功能、價格因素。系統(tǒng)可靠性也是考慮的重要因素。 (6)編程器與外圍設備的選擇。小型 PLC 控制系統(tǒng)通常都選用價格便宜的簡易編程器。如果系統(tǒng)大，用 PLC 多，選一臺功能強、編程方便的圖形編程器也不錯，如果有現成的個人計算機，也可選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。 FX2N系列 PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相 結合的疊裝式結構，具有較高的性能價格比，應用廣泛。三菱的 FX2N系列 P