【導讀】由于傳統(tǒng)供水方式的缺陷，本文設計了一套PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水是指在供水網系中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、遠傳壓力表等構成。共三臺電機，其中由一。臺變頻器拖動2臺大功率電動機的起動、運行與調速，1臺小容量電機備用。式；同時利用其中的數字PID控制器，由SFB41將壓力給定值與測量值的偏差進行處理，實時控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電動機的轉速來改變水泵出水口流量，實現管網壓力的自動調節(jié)，使管網壓力穩(wěn)定在設定值附近。

　　

【正文】 位發(fā)生改變與被測壓力平衡的液柱 測壓法，有根據彈性原件受力變形的測壓法， 也有 將 被測壓力轉換成各種電量的電測法 等 [12]。 在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。絕對壓力是指被測介質作用在單位面積上的全部壓力，用 PA 表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產生的平均壓力稱為大氣壓力，用 P0表示 。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用 PI表示。即 PI=PA P0 （ 33） 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。顯然當絕對壓力值 PA 小于大氣壓力值 P0時 ，表壓力為負值，所測值稱為負壓力或稱真空壓，它的絕對值稱為真空度。壓力在國際單位制中的單位是牛頓 /平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕 (Pa)，工業(yè)上常采用千帕 (kPa)或兆帕 (MPa)作為壓力的單位 [13]。 設計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠傳壓力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。 青島奧斯特技術開發(fā)有限公司 的 HRYTZ 電阻遠傳壓力表 ，如圖。 HRYZ 表示壓力真空表 ； HRZ 表示真空表 ； HRY 表示一般壓力表 ； HRYB 表示精密壓力表 。 圖 遠傳壓力表 用途說明： 電阻遠傳壓力表適用于測量對銅及銅合金不起腐蝕作用的液體、蒸汽和氣體等介質的壓力。因為在儀表內部設置一滑線電阻式發(fā)送器，故可把被測值以電量值傳至遠離點的二次儀表上，以實現集中檢測和遠距控制。此外，本儀表并能就地指示壓力，以便于現場工藝檢查。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 主要技術要求： 精確度等級： 發(fā)送器起始電阻值： 3～ 20Ω 發(fā)送器滿度電阻值： 340～ 400Ω 發(fā)送器接線端 ①② 外加電壓不大于 6V 滑線電阻式發(fā)送器接線圖 ： 圖 滑線電阻式發(fā)送變送器接線圖 使用環(huán)境條件： 40～ 60℃ ，相對濕度不大于 85%，且震動和被測（控）介質的急劇脈動應對儀表正常工作無明顯影響。 溫度影響：使用溫度偏離 20177。5℃ 時，其溫度附加誤差不大于 %/10℃ 。 重量： 。 測量范圍： 表 測量范圍 型號 測量范圍 HRYTZ150 0～ ； 0～ ； 0～ ； 0～ ； 0～ ； 0～ 1； 0～ ； 0～； 0～ 4； 0～ 6； 0～ 10； 0～ 16； 0～ 25； 0～ 40 ～ 0； ～ ； ～ ； ～ ； ～ ； ～； ～ 結構原理： 本儀表由一個彈簧管壓力表和一滑線電阻式發(fā)送器等組成。儀表機械部份的作用原理與一般彈簧管壓力表相同。由于電阻發(fā)送器系設置要齒輪傳動機構上，因此當齒輪傳動機構中的扇形齒輪軸產生偏轉時，電阻發(fā)送器的轉臂（電刷）也相應地得以偏轉，由于電刷在電阻上滑行，使得被測量壓力值的變化變換為電阻值的變化，而傳至二次儀內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 表上，指示出一相應的讀數值。同時，一次儀表也指示 出相應的壓力值。 外形尺寸 ：如圖 所示（ 單位： mm） 圖 外形尺寸 本章小結 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。 選用 S7300，它 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。 變頻器就是能夠分別連續(xù)改變頻率和電壓的電源設備。 交 —直 —交變頻器是先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調的三相交流電源 。 同時系統(tǒng) 采用遠傳壓力表，來檢測水管出口處的壓力值，同時 遠傳壓力 表 可以就地顯示實時的壓力值。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 恒壓供水電控系統(tǒng)設計 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成及工作原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的設計與選擇 水 壓 調 節(jié) 器 變 頻 器 交 流 電 機 水 泵 管 道給 定 水 壓水 壓 傳 感 器 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)基本結構圖 對變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成，其基本結構如圖 所示。系統(tǒng)主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，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，同時還要 能對運行數據進行傳輸。根據系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可供選擇 ： (l)有供水專用的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結構簡單，它將 PID 調節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。它雖然簡化了電路結構，降低了設備成本，但對壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時， PID 調節(jié)參數的系統(tǒng)優(yōu)化比較困難，調節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性， 數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合 [14]。 (2)通用變頻器 +單片機 (包括變頻控制、調節(jié)器控制 )+人機界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須 .采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水。 (3)通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制 )+組態(tài)軟件十壓力傳感器 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數 據交換 。通用性強，由于 PLC 產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 1/0 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存儲器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于 PLC 的抗干擾能力強、可靠性高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出 “變頻器主電路 +PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制 )十組態(tài)軟件十壓力傳感器 ”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優(yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 恒壓供水系統(tǒng)構成 為保證供水壓力恒定，系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制的方式。來自壓力傳感器的信號與壓力設定信號比較，控制變頻器的頻率大小，從而控制電機的轉速。水泵啟動后，壓力傳感器向控制器提供控制點的壓力值，當壓力低于控制器設定的壓力值時，控制器向變頻調速裝置發(fā)送提高水泵轉速的控制信號，當壓力高于設定壓力值時，則發(fā)送降低水泵轉速的控制信號，變頻調速 裝置則依次調節(jié)水泵工作電源的頻率，改變水泵的轉速，以此構成以設定壓力值為參數的恒壓供水自動調節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)構成與設計 變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制柜，壓力傳感器，異步電動機及水泵組成，由此構成一個壓力負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器將管道中的水壓值變換成電信號 (4~20mA)，送入系統(tǒng) 內置 數字 PID 控制器進行 比較，其偏差值經控制運算后，去控制變頻器的輸出頻率，通過上位機對當前壓力信號的反應，再由 PLC 控制四臺水泵電機在工頻電網與變頻器輸出之間切換，改變四臺水泵的運轉狀態(tài)和轉速，實現壓力調節(jié)。 控制 部分是以德國 SIEMENS 可編程序控制器 S7300 為核心，實現信號 采集，巡檢綜合判定，控制輸出三個邏輯過程。電氣部分包括 對 水泵電機 ，變頻器的啟動、停止，以及故障檢測，指示燈的控制， S7300 據有豐富的指令系統(tǒng)，并且依托 良好的編程界面，很方便程序編制和現場調試。 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。 [16] 傳動裝置用了富士變頻器，適用于異步電機無級調速控制。該變頻器的輸出控制方式為恒 壓頻比 以及 IGBT 大功率晶體管模塊。其優(yōu)點之一是具有高的切換頻率，可輸出低諧波分量的正弦波，在低速時電機有更大的輸出轉矩，降低電機的損耗和噪音，減少內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 了電機運行時的溫升。變頻器可將輸出頻率在控制范圍內連續(xù)可調，控制精度為 ，從而達到電機依據負載的變化連續(xù)平滑調速，減輕了電機的運轉抖動。由于變頻調速實現異步電機軟起動，降低電網的損耗提高了電機運行時的 cosφ 中，以致于可以省去為改善功率因數的電容補償以及相應控制設備。 傳感器選用了 設計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠傳壓力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器 。青島奧斯特技術開發(fā)有限公司的 HRYTZ 電阻遠傳壓力表 。 外圍設備選型 外圍設備主要包括執(zhí)行設備，如水泵 、接觸器、按鈕、選擇開關 、 電流互感器 等設備， 由于外圍設備種類較、型號較雜，且不是本設計的技術難點，故對其選型說明簡述至此。 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)主電路的設計 結合實際情況，本論文的恒壓供水系統(tǒng)的主電路如圖 4. 2 所示。系統(tǒng)共有三臺電機，分別為 Ml、 M M3。其中 Ml、 M2 為大功率電動機，但 Ml 的功率大于 M2 功率， Ml、 M2 均可以在工頻或變頻兩種方式下運行，而 M3 為低功率的電機，作為輔助泵電機。每臺電機都通 過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯，變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現電機、變頻器的過流過載保護。空氣開關的容量依據大電機的額定電流來確定。對于有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)的電動機 Ml、 M2，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關，來實現電機的過流過載保護，空氣開關的容量依據電機的額定電流來確定。接觸器 KM KM KM5 分別控制 M M M3 的工頻運行， KM KM4 控制 M M2 的變頻運行。所有接觸器的選擇都要依據電動機的容量適當選擇。由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為 了顯示電機當前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表的連接，如圖 所示。兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在控制臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實現對電動機的過熱保護。 FR FR FR3 為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器， QS QS2 分別為變頻器和水泵電機的主電路隔離開關， FU 為主電路的熔斷器， VVVF 為通用變頻器。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 供水系統(tǒng)主電路 變頻器主電路電源輸入端子 (R、 S、 T)經過空氣開關與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子 (U、 V、 W)經接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向預設定不一致時，需要調換輸出端子 (U、 V、 W)的任意兩相。特別是對于有變頻 /工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻 /工頻的切換過程中會產生很大的轉換電流，致使轉換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端 FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） MAAT B 1T B 2R J 1A 1 A 2 圖 電流互感器的接線圖 PLC 控制電路設計 控制系統(tǒng) I/0 點及地址分配 根據控制系統(tǒng)的要求，控制系統(tǒng)應具備的輸入 /輸出點數，名稱及地址編號如 下表 所示。 表 I/O 點及地址分配 名稱 地址編碼 名稱 地址編碼 輸入信號 輸出信號 水位上限 1 號水泵工頻運行 水位下限 1 號水泵變頻運行 變頻器報警 2 號水泵工頻運行 消鈴按鈕 2 號水泵變頻運行 Q03 試驗按鈕 3 號水泵工頻運行 變頻器啟動 高低液位報警 變頻器停止 變頻器報警 報警聲 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 系統(tǒng)控制電路圖 見附錄 B?？刂齐娐分杏歇毩⒌淖詣涌刂撇糠趾褪謩涌刂撇糠?，具有方便的手動和自動切換功能，由控制電路中的轉換開關 SA 來實現。 SB SB SB5分別為 1 號泵電機、 2 號泵電機、 3 號泵電機的啟動按鈕。 SB SB SB6 分別為 3 號 泵電機的停止按鈕。 HL HL HL5 分別為三個泵的工頻運行指示燈， HLHL4 為 1， 2 號 泵電機的變頻運行指示燈 ， HL HL7 分別為水位下限和變頻器故障報警指示燈， HA 為故障電鈴。 控制系統(tǒng)主程序設計 PLC 主程