【導(dǎo)讀】際供水控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。此變頻恒壓供水系統(tǒng)由水泵機組，共包括四臺水泵電機，其中三臺為常規(guī)水泵，個變頻循環(huán)運行系統(tǒng)。系統(tǒng)實時比較管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值偏差的變化情況，經(jīng)。運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水。經(jīng)軟件仿真及實驗室調(diào)試，證明系統(tǒng)基本可以滿足設(shè)計要求。

　　

【正文】 62 8 6 2 CPU224 ? 80? 62 14 10 7 CPU226/CPU226XM 190? 80? 62 24 16 7 18 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能（具體 I/O 分配見下文），考慮到 I/O 分配留有一定裕量，設(shè)計選用西門子 S7200 系列的 CPU226 型。其有以下特點： (1) 具有 24 個輸入點， 10 個輸出點，共 40 個數(shù)字量 I/O 點。 (2) SIMENS S7200 可編程序控制器是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 (3) 與擴展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨立的 30kHZ 的高速計數(shù)器、兩路獨立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點 對點接口 PPI 通信協(xié)議、多點接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設(shè)計需求。 ( 5) 當(dāng)控制任務(wù)增加時，具有 7 個擴展模塊，可以自由擴展。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。 (7) PLC 編程采用 STEP7Micro/win，它是 SIMATIC PLC 的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試 [12]。 擴展模塊選型 為了擴展 I/O 點和執(zhí)行特殊的功能， S7200 系列 PLC 可以連接擴展模塊（ CPU221除外）。擴展模塊主要有四類：數(shù)字量輸 入 /輸出（ DI/DO）模塊、模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊、通信模塊和特殊功能模塊。本次設(shè)計中需要擴展一個采集處理壓力信號的模擬信號，應(yīng)擴展一個模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊。故主要對此類擴展模塊進(jìn)行簡要介紹。 (1) EM231： 4 路 12 位模擬量輸入（ AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓： 0~10V、 0~5V、 ? 和 ? 5V；電流： 0~20mA。 2) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 3) 最大輸入電壓 30VDC，最大輸入電流 32mA。 (2) EM232： 2 路 12 位模擬量輸出（ AO）模塊 1) 輸出范圍：電壓 ? 10V；電流： 0~20mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓： 32020~+32020；電流 0~+32020。 3) 分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 (3) EM235：模擬量混合輸入 /輸出 (AI/AO)模塊， 1) 4 路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 2) 差分輸入，電壓 0~10V、 0~5V、 0~1V、 0~500mV、 0~100mV、 0~50mV、 ? 10V、? 5V、 ? 、 ? 1V、 ? 500mV、 ? 250mV、 ? 100mV、 ? 50mV 和 ? 250mV；電流：0~20mA。 19 3) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 4) 穩(wěn)定時間：電壓 100us，電流 2ms。 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， 該模塊具有 4 個模擬輸入 (AIW)通道， 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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)輸出信號。針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，EM235 模塊可以通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 變頻器的選型 變頻器的具體選型 變頻器是控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變出水流量。變頻器須根據(jù)水泵電機的電流和功率進(jìn)行選擇。要求系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)不同控制功能，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 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬于泵類負(fù)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 [11]。 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，絕緣柵雙極型晶體管作為其功率輸出器件，具有較高的運行可靠性和很強的功能。其采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動機和變頻器保護(hù)功能，內(nèi)置 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行自定義。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為~90KW，適用 于功率大、要求高的場合，恰好其輸出信號能作為 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。 變頻器與模擬量擴展擴展的連接 在恒壓供水電路中，變頻器與 S7200PLC 配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。 （ 1） PLC 部分設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴展模塊 EM235 AIW0 EM235 模擬量輸入通道 1，接一精密電位器； 20 AQW0 EM235 模 擬量輸出通道 1，接 MM440 的端口 3 和 4。 整個系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器 380V 三相電源 24V 接地 MA 圖 模擬量擴展模塊和 MM440 變頻器接線原理圖 變頻器參數(shù)設(shè)定 使用基本操作面板對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。首先按下 P 鍵對變頻器進(jìn)行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時的狀態(tài)。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動機的參數(shù)，以使電動機與變頻器相配，電動機參數(shù)如表 所示 電動機參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)置 P0010 為 0，使變頻器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)，如表 所示 A+ A M0 V0 MM440 3 9 4 18 U V W M 3~ 21 表 設(shè)置電動機參數(shù)表 參數(shù)表 設(shè)置值 說明 P003 1 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 P0100 1 快速調(diào)試 P010 0 功率以 KW 為單位，頻率為 50HZ P0304 380 電動機額定電壓（ V） P0305 電動機額定電流（ A） P0307 電動機額定功率（ KW） P0310 50 電動機額定頻率 P0311 電動機額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 表 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù) 參數(shù)號 設(shè)置值 說明 P0003 1/2 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 /擴展級 P0004 命令和數(shù)字 I/O P0700 2 命令源選擇“由端子排輸入” P0701 1 數(shù)字輸入端 1 接通正轉(zhuǎn)，斷開停止 P0702 2 數(shù)字輸入端 2 接通反轉(zhuǎn)，斷開停止 P1000 2 頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入” P1080 電動機運行的最低頻率（ HZ） P1082 50 電動機運行的最高頻率（ HZ） P1120 斜坡上 升時間（ s） P1121 斜坡下降時間（ s） 水泵機組的選型 水泵機組的選型原則 供水系統(tǒng)在運行時是依靠水泵抽水來實現(xiàn)的，水泵作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)， 22 因此，水泵型號選擇是否合適將影響系統(tǒng)運行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素。在水泵選型時有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚程選擇滿足揚程要求的水泵。 所謂揚程 即 所需揚程，并不是 所需 提水高度，明確這一點對選擇水泵 相當(dāng) 重要。水泵揚程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。選擇水泵時應(yīng)使銘牌上的揚程最好與所需揚程接 近，一般偏差不超過 20％，這樣的情況下，水泵的效率最高，也比較節(jié)能，使用會更經(jīng)濟。 （ 2） 根據(jù)水泵抽水的流量選擇流量合適的水泵。 水泵的流量，即出水量，一般不宜選得過大，否則會增加購買水泵的費用。 （ 3） 要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 實際使用時，只能按標(biāo)牌所注揚程和流量的 80%～ 90%估算，水泵配套動力的選擇，可按標(biāo)牌上注明的功率選擇， 但 為了使水泵啟動迅速和使用安全，動力機的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出 10%左右為宜 。 （ 4） 應(yīng)盡量選用高效節(jié)能且噪音較低的水泵，不可采用市場 淘汰產(chǎn)品。 （ 5） 根據(jù)實際供水系統(tǒng)的規(guī)模即所帶負(fù)荷情況，合理確定水泵的臺數(shù)。（本課題所考慮的三臺水泵通過變頻器控制工頻 /變頻切換組合運行， 另一臺輔助泵協(xié)助運行，保障了系統(tǒng)的供水能力）。 （ 6） 同一個供水系統(tǒng)所配用的水泵揚程要相同，主泵之間的供水流量最好相同，副泵供水流量與主供水泵的流量之比最好不大于 1/3。 水泵機組選型 假如 該 棟小區(qū)有用戶 100戶 ， 樓層高度為 12層，每層 3米 水泵安裝在地下室一樓 地下室三米高， 對 水泵 型號進(jìn)行選擇 ， 因為總樓層高度為 12*3+3=39m， 計算出水壓 頭，也就是出水壓力 ， 現(xiàn)在的規(guī)范要求居民出水壓頭設(shè)計為 15米，建筑總揚程在54米。流量參看《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》中有詳細(xì)的計算方法。 100戶的參考流量在12~15m179。/h 左右。 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 3臺常規(guī)泵采用 格蘭富 水泵 CR324 AFAE HE，其額定揚程為 ，其余條件也均符合，輔助泵選擇 CR156 ， 其 額定流量 15m3/h， 6級葉輪的多級離心水泵，功率 ，揚程 60~70米 ，符合要求，以上 水泵外殼、軸上均采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采 用鑄造件，經(jīng)靜電噴塑處理，效率提高 5%以上。水泵采用低噪音電機，機械密封，前端配備泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 、磨損更小、壽命更長。下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長。 23 供水壓力傳感器的選型 壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器，一般由彈性敏感元件（或應(yīng)變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。 壓力傳感器的性能參數(shù) 壓力傳感器種類 很多 ，其性能也 具有 有較大差異，選擇 比較合適 的 傳感器，做到經(jīng)濟、合理的使用 ，必須考慮性能參數(shù)。 （ 1） 額定壓力范圍 滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍 及稱為 額定壓力范圍。也就是在最高 溫度 和最低溫度之間，傳感器輸出 的 符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實際應(yīng)用 中 傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。 （ 2） 最大壓力范圍 在 不引起輸出特性永久性改變 的情況下， 傳感器能長時間承受的最大壓力 稱為最大壓力范圍。為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍 ， 半導(dǎo)體壓力傳感器 尤其明顯 。 由此可知 ，即 便連續(xù) 在額定壓力以上使用也不會損壞。一般最大壓力是額定壓力最 大 值的 2－ 3倍。 （ 3 ） 損壞壓力 損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。 （ 4） 線性度 在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離 稱為線性度 。 （ 5） 壓力遲滯 在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近 于 某一壓力時，傳感器輸出 的 差 值 。 （ 6） 溫度范圍 壓力傳感器的溫度范圍分為工作溫度范圍 和 補償溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍 。 補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度 24 進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍 [13]。 壓力傳感 器的選型 變頻恒壓供水的壓力傳感器的選型有以下兩個步驟： （ 1）按測量介質(zhì)及使用環(huán)境要求選用 傳感器介質(zhì)接觸材料包括陶瓷、 316 不銹鋼、哈氏合金、蒙耐爾合金、鉭等防腐材料，但對于恒壓供水的凈水系統(tǒng)來說， 316 不銹鋼材料就能