【正文】 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。 ① 供水控制器 :它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號 : 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 ① 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓 力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。同時，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。 4．新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針 對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切換卡； SANKEN的SAMCO— I系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品；等等。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入 PID回路調(diào)節(jié)器，由 PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運算后，輸入給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。 3．帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器 (PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟 動、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。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(jìn)行供水。 (2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。 圖 PID 控制接線圖 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。這種控制方式用于從 產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng) (即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨使用 P動作控制。 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。因為有誤差 ,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。 方便控制，使控制系統(tǒng)簡單化 ①、變頻器很容易實現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn) ②、加、減速時間及頻率可任意調(diào)節(jié) ③、變頻器還具有直流制動功能，需要制動時，變頻器給電動機(jī)加上一個直流電壓，進(jìn)行制動，則無需另加制動控制電路 ④、運行平穩(wěn) ⑤、可進(jìn)行高速運轉(zhuǎn)。采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下就可啟動，電流平滑無沖擊，減少了啟動電流對馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。 變頻器的特點 由 于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達(dá)到 20%～ 60%，這是因為風(fēng)機(jī)水泵的耗用 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時，風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 第三章 恒壓供水系統(tǒng) 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析 電動機(jī)調(diào)速原理 水 泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? （ ） 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。外部連接的電源，通過 PLC 內(nèi)部配有的一個專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流 /直流供電電源轉(zhuǎn)化為 PLC 內(nèi)部電路需要的工作電源（直流 5伏、正負(fù) 12伏、 24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供 24V 直流電源（僅供輸入端點使用），而驅(qū)動 PLC 負(fù) 載的電源由用戶提供 。 （ 2） I/O 擴(kuò)展接口 可編程控制器利用 I/O 擴(kuò)展接口使 I/O 擴(kuò)展單元與 PLC 的基本單元實現(xiàn)連接，當(dāng)基本 I/O 單元的輸入或輸出點數(shù)不夠使用時，可以用 I/O 擴(kuò)展單元來擴(kuò)充開關(guān)量 I/O 點數(shù)和增加模擬量的 I/O 端子。 3. I/O 單元及 I/O 擴(kuò)展接口 （ 1） I/O 單元 PLC 內(nèi)部輸入電路作用是將 PLC 外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合 PLC 輸入電路要求的電 壓信號，通過光電耦合電路送至 PLC 內(nèi)部電路。 只讀存儲器 ROM 用以存放系統(tǒng)程序，可編程控制器在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)程序固化在 ROM 中 ，用戶是不可改變的。 CPU 常用的微處理器有通用型微處理器、單片機(jī)和位片式計算機(jī)等。 CPU 一般由控制電路、運 算器和寄存器組成。 可編程控制器的基本組成 控制組件 可編程控制器主要由 CPU、存儲器、基本 I/O 接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成。 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 20 世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點。 采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電 流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。原深圳華為 (現(xiàn)己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團(tuán)〔森蘭牌變頻器 )也推出了恒壓供水專用變頻器 ()，無需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時起動、停止和定時循環(huán) (月麥丹佛斯公司的 VLT系列變 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 頻器可實現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換 )。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 。這一方面是由于我國居民多，用水量大，造成用電量大 :另一方面是因為我國供水設(shè)備工作效率低，控制方 式不夠科學(xué)合理。由于城市供水量不斷加大，對城市管網(wǎng)的實時監(jiān)測提出了更高的要求。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的 ，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。在運行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問題。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作 .當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將 超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費。 ③ 最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處 。是將每日 24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各個時段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日變壓，各時段恒壓控制。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi) .變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種 :水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對建筑物的造價 與設(shè)計都有影響，同時 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位 監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動的開、停，這樣水泵的開、停，將完全由人操作，這時將會出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。這種方式顯然比前種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時間比、開 /停頻率等有關(guān)。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供 水系統(tǒng)所需要壓力。 (1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。 城市供水要求 .......................................................... 1 變頻恒壓產(chǎn) 生的背景及意義 .............................................. 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概況 ................................................... 4 第二章 PLC 的概述 ......................................................... 6 可編程控制器定義 ..................................................... 6 PLC 的定義 ...................................................... 6 PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 ................................................ 6 PLC 的工作過程 ................................................... 7 可編程控制器的基本組成 ............................................... 7 控制組件 ........................................................ 7 西門子 S7200PLC 簡介 ............................................. 9 第三章 恒壓供水系統(tǒng) ..................................................... 10 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析 ................................................ 10 變頻器的特點 .................................................. 10 PID 調(diào)節(jié)器 ..................................................... 11 變頻恒壓供水系統(tǒng) ..................................................... 13 課題研究的對象 ......................................