【導(dǎo)讀】在恒壓供水系統(tǒng)中所擔(dān)任的角色。從系統(tǒng)的整體設(shè)計方案和實際需求分析開。問題，保證供水安全、快捷、可靠。恒壓供水保證了供水質(zhì)量，以PLC為主機的控。制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　

【正文】 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 20 12 / 102DP H Q??? （ 32） 當(dāng)用調(diào)速系統(tǒng)時，若采用恒壓（ 0H ）、變速泵（ 2n ）供水，管阻特性曲線為 ，揚程特性變?yōu)榍€ ，工作點從 E 點移動到 D 點。此時水泵輸出功率為（ 200, , ,Q D H ）圍成的矩形面積，其值為： 02 / 102FP H Q??? （ 33） 可見，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（ 01, , ,H D F H ）圍成的矩形面積，其值為：02 / 102FP H Q??? (34) 從公式可以看出，當(dāng)用閥門控制流量時，有值為 的功率被浪費掉。隨著閥門的不斷減小，閥門的摩擦阻力也不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況也隨之上移，于是 增大，造成被浪費的功率也隨之增加。 根據(jù)水泵便需運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N之間的關(guān)系為： 232 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1/ / : / ( / ) : / ( / )Q Q N N H H N N P P N N? ?? (35) 式中 ， 為變速前的流量、揚程、功率， 變速后的流量、揚程、功率。 由公式（ 34）可以看出，水泵功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗 功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式相比閥門控制方式其供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 變頻恒壓供水的特點分析。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適應(yīng)生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，具有以下特點： （ 1）非線性 用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。 （ 2）多變性 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的 模型具有很強的多邊性。 （ 3）容錯性 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況下，例如突然斷電或水泵、變頻器、軟啟動器等出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能根據(jù)泵、變頻器或軟啟動器的狀態(tài)、電網(wǎng)狀況及水源水位以及管壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。 （ 4）可擴充性 水泵的電氣控制柜應(yīng)該具有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制中心相連，實時傳送供水的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便進行顯示、監(jiān)控以及報表打印等。 （ 5）節(jié)能性 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 21 在能量節(jié)約這種特點下主要分一下幾種： （ a）節(jié)約電能 變頻調(diào) 速恒壓供水方式與過去的幾種方式相比，無論是在設(shè)備的投資、運行的經(jīng)濟性，還是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面，都具有其它供水方式無法比擬的優(yōu)勢。此外它還具有顯著的節(jié)能效果。由前面分析可知，水泵的流量、揚程（壓力）和軸功率與其轉(zhuǎn)速的一次方、二次方和三次方成正比。當(dāng)水泵（或風(fēng)機）運轉(zhuǎn)速度降低以后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降，驅(qū)動電動機所需的功率也相應(yīng)減小，從而取得明顯的節(jié)能效果。 （ b）節(jié)約用水 采用變頻器進行變頻恒壓供水，管道保持恒壓，不會出現(xiàn)水壓過高而造成的甭管現(xiàn)象，從而減小或避免事故浪費。 （ c）延 長管道系統(tǒng)使用壽命 利用供水專用變頻器進行變頻恒壓供水，可保持系統(tǒng)水壓恒定，不會出現(xiàn)水壓過高的現(xiàn)象，使管道壓力一直維持在合理的范圍內(nèi)，可延長更換周期，減小維修投入。 變頻調(diào)速控制的水泵在起動時，電機頻率逐漸上升到工頻頻率，水的壓力也逐漸升高，這樣就避免了水流對水管網(wǎng)、儀表、閥門等地沖擊，延長了供水設(shè)備的使用壽命。當(dāng)變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)停止運行時，變頻器輸出交流電的頻率逐漸降低直到停止輸出，水泵的轉(zhuǎn)速也逐漸降低直到停止運行 ，有效防止了水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生。 系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點： 經(jīng)濟效益分 析： 根據(jù)流體力學(xué)原理可知：變量泵的功率 P供水量 Q1 與泵轉(zhuǎn)速 n1 三者的關(guān)系如下式： P1/Q1=(n1/n)3 Q1/Q=n1/n 式中： Q 為額定流量； P1 為額定流量時的電機軸功率； n 為水泵的額定轉(zhuǎn)速。 額定流量 Q=100%時， n=100%，若 n1=90%n 時， Q1=90%Q； P1=%P，即可節(jié)電 %。若 n1=80%n 時， Q1=100%Q； P1=%P，即可節(jié)電 %。 當(dāng)然以上的公式和計算方法為理論值，在實際運行的現(xiàn)場影響節(jié)能效率的因素有很多如：管損、水泵 運行狀態(tài)、變頻器選型情況（變頻器輸出頻率精度、變頻器控制方式等）、控制程序合理性、 PID 參數(shù)穩(wěn)定性等。在以上因素為正常合理的情況下，全自動根據(jù) 實踐 經(jīng)驗，變流量恒壓供水控制系統(tǒng)的節(jié)能效率一般在30％以上。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 22 第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 設(shè)備的選型 水泵 M M2， M3 可變頻運行，也可工頻運行，需 PLC 的 6 個輸出點，變頻器的運行與關(guān)斷由 PLC 的 1 個輸出點，控制變頻器使電正轉(zhuǎn)需 1 個輸出信號控制，報警器的控制需要 1 個輸出點，輸出點數(shù)量一共 9 個。控制起動和停止需要 2 個輸入點，變頻器 極限頻率的檢測信號占用 PLC2 個輸入點，系統(tǒng)自動 /手動起動需 1 輸入點，手動控制電機的工頻 /變頻運行需 6 個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需 1 個輸入點，檢測電機是否過載需 3 個輸入點，共需 15 個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入／輸出點數(shù)量共為 24 個點。本系統(tǒng)選用 FX2N32MR 型 PLC。 根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選用 V1000 系列變頻器。 壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器，通常又把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。它一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。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)變記轉(zhuǎn)換為壓力成一定關(guān)系的電信號。 在恒壓供水中應(yīng)用的壓力傳感器主要有陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器等，但其工作原理基本一致。 1. 壓力傳感器的原理 壓力傳感器是由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成的。電阻應(yīng)變計片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換稱為一種電信號的敏感元件，它是壓力傳感器的主要組成部件之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基本受 力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常很小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是 A/D 轉(zhuǎn)換和 CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。 變頻恒壓供水的壓力傳感器的選型有以下兩個步驟：按測量介質(zhì)及使用環(huán)境要求選用和按性能指標要求選用。根據(jù)用戶需求，以及量程、準確度、溫度補償?shù)榷囗椩瓌t的綜合考慮，本設(shè)計將安裝 MC20B 型供水壓力傳感器。如下圖表 32所示： 壓力 傳感器使用 MC20B 型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實現(xiàn)壓力測量的力－電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標的要求。 該傳感器的量程為 0～ ，工作溫度為 5℃ ～ 60 ℃ ，供電電源為 28177。3V（ DC） 。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 23 圖 41 壓力傳感器的接線圖 控制系統(tǒng)的硬件分析 硬件接線 1. PLC 輸入輸 出設(shè)備的外部接線圖 如圖 32 PLC 及擴展模塊外圍接線圖。火災(zāi)時，火災(zāi)信號 SA1 被觸動， X000為 1。 本例忽略了以下因素： (1) 直流電源容量 (2) 電源方面的抗干擾措施 (3) 輸出方面的保護措施 (4) 系統(tǒng)保護措施 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 24 (5) 圖 42恒壓供水控制系統(tǒng) PLC及擴展模塊外圍接線 控 制系統(tǒng)主電路 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 25 圖 45 控制系統(tǒng)主電路 如圖 45,接觸器 KM KM3 及 KM5 用于電動機的工頻控制；接觸器 KMKM4 及 KM6 用于電動機的變頻控制。 FR1,FR2,FR3 分別為三臺水泵的電動機過載保護用的熱繼電器。 控 制電路 如圖 46 為電控系統(tǒng)控制電路圖。途中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的位置為制動控制。手動運行時，可用按鈕SB1SB6 控制三臺泵的啟動 /停止和電磁閥 YV2 的通 /斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC 程序下運行。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 26 圖 46 系統(tǒng)控制電路 PLC 系統(tǒng)選型 全自動變頻恒壓供水電氣控制系統(tǒng)共有開關(guān)量輸入點 6 個、開關(guān)量輸出點12 個；模擬量輸入點 1 個、模擬量輸出點 1 個。選用三菱 FX2N32MR 一臺、加上一 臺模擬量輸入擴展模塊 FX2N4AD、一臺模擬量輸出擴展模塊 FX2N4DA構(gòu)成系統(tǒng)。整個 PLC 系統(tǒng)的配置如圖 47 所示。 圖 47 PLC系統(tǒng)組成 主機單元 NFX2 32MR 模擬量輸出模塊 NFX2 4DA 模擬量輸入模塊 NFX2 4AD XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 27 系統(tǒng)控制要求及梯形圖程序 泵生活 /消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是： (1)生活用水時，系統(tǒng)低恒壓值運行，消防供水時高恒壓值運行。 (2)三臺泵根據(jù)恒壓的需要，采取 “ 先開先停 ” 的原則接入和退出。 (3)在用水量小的情況下，如果一臺泵連續(xù)運行時間超過 3h，則要切換下一臺泵。即系統(tǒng)具有 “ 倒泵功能 ” ，避免某一臺工作時間過長。 (4)三臺泵在啟動時都需要有軟啟動功能。 (5)要有完善的報警系統(tǒng)。 (6)操作要有手動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。 信號分配如表 41 所示。 表 41 I/O 信號分配表 輸入（ I） 元件 功能 信號地址 開關(guān) SA1 手動 /自動消防信號 X0 低水位傳感器 SLL 水池水位下限信號 X1 高水位傳感器 SLH 水池水位上限信號 X2 變頻器報警 SU 變頻器報警信號 X3 按鈕 SB9 消鈴 X4 按鈕 SB10 試燈 X5 壓力傳感器 Up 測取 水壓 模擬量輸入模塊通道 1 輸出（ O） 接觸器 KM1指示燈 HL1 1號泵工頻運行接觸器及指示 Y0 接觸器 KM2指示燈 HL2 1號泵變頻運行接觸器及指示 Y1 接觸器 KM3指示燈 HL3 2號泵工頻運行接觸器及指示 Y2 接觸器 KM4指示燈 HL4 2號泵變頻運行接觸器及指示 Y3 接觸器 KM5指示燈 HL5 3號泵工頻運行接觸器及指示 Y4 接觸器 KM6指示燈 HL6 3號泵變頻運行接觸器及指示 Y5 電磁閥 YV2 生活 /消防供水轉(zhuǎn)換 Y10 指示燈 HL7 水池水位下限報警 Y11 指示燈 HL8 變頻器故障報警 Y12 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 28 指示燈 HL9 火災(zāi)報警 Y13 電鈴 HA 報警 Y14 繼電器 KA 變頻器頻率復(fù)位控制 Y15 模擬量模塊電壓輸出 控制變頻器頻率用電壓信號 模擬量輸出模塊電壓通道 MCGS 組態(tài)軟件 建立界面 ⑴在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口 0” 。 ⑵選中“窗口 0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設(shè)置”。 ⑶將窗口名稱改為：變頻恒壓供水系統(tǒng)；窗口標