【正文】 補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度 24 進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍 [13]。 （ 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(bǔ)償溫度范圍。 （ 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 。一般最大壓力是額定壓力最 大 值的 2－ 3倍。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 。在實(shí)際應(yīng)用 中 傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。 （ 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。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個(gè)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(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長。 根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定 3臺(tái)常規(guī)泵采用 格蘭富 水泵 CR324 AFAE HE，其額定揚(yáng)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(jí)葉輪的多級(jí)離心水泵，功率 ，揚(yáng)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。 100戶的參考流量在12~15m179。 水泵機(jī)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(duì) 水泵 型號(hào)進(jìn)行選擇 ， 因?yàn)榭倶菍痈叨葹?12*3+3=39m， 計(jì)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(jì)為 15米，建筑總揚(yáng)程在54米。（本課題所考慮的三臺(tái)水泵通過變頻器控制工頻 /變頻切換組合運(yùn)行， 另一臺(tái)輔助泵協(xié)助運(yùn)行，保障了系統(tǒng)的供水能力）。 （ 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。 （ 3） 要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 （ 2） 根據(jù)水泵抽水的流量選擇流量合適的水泵。水泵揚(yáng)程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。在水泵選型時(shí)有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚(yáng)程選擇滿足揚(yáng)程要求的水泵。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，以使電動(dòng)機(jī)與變頻器相配，電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 所示 電動(dòng)機(jī)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)。 整個(gè)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(kuò)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(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 變頻器與模擬量擴(kuò)展擴(kuò)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 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(hào)能作為 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)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(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。供水系統(tǒng)屬于泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的 U/f 控制變頻 器 [11]。要求系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。 變頻器的選型 變頻器的具體選型 變頻器是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過改變頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變出水流量。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 4) 穩(wěn)定時(shí)間：電壓 100us，電流 2ms。 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。 3) 分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 (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) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 250us。故主要對(duì)此類擴(kuò)展模塊進(jìn)行簡要介紹。擴(kuò)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。 (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]。 ( 5) 當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，具有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，可以自由擴(kuò)展。 (3) 與擴(kuò)展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。其有以下特點(diǎn)： (1) 具有 24 個(gè)輸入點(diǎn)， 10 個(gè)輸出點(diǎn)，共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)。根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O 點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留 10%～ 15%點(diǎn)數(shù)備用量。 (3) PLC 容量的選擇 PLC 容量主要是指是 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)， I/O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量，以備在某些特殊情況下使用。 (1) 結(jié)構(gòu)合理 對(duì)于工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合，由于 整體式每一 I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。 。 。它是衡量 PLC 能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，決定了 PLC 處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。 。 （ 3） PLC 的性能指標(biāo) 。 ，擴(kuò)展能力強(qiáng)。 。 報(bào)警控制輸出 A/D 模塊 PLC 通訊模塊 變頻器 壓力變送器 人機(jī)界面 水泵機(jī)組 故障狀態(tài)輸入 17 部設(shè)備連接方便。 。 （ 2） PLC 的特點(diǎn)： 。 1987 年國際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)上頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做出如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 16 第四章 控制系統(tǒng)硬件電 路設(shè)計(jì) 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣控制總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機(jī)組 (4) 壓力傳感器。如果控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差（表現(xiàn)為振蕩現(xiàn)象），可適當(dāng)加大控制度，直到獲得滿意的控制效果。 4）根據(jù)選擇的控制度，參照表 計(jì)算 Ts、 Kc、 Ti 和 Td 的值。 3）選擇控制度。具體如下 1）選擇合適的采樣周期，控制器做純比例 Kc 作用，使系統(tǒng)閉環(huán)工作。最后，比例度從大到小進(jìn)行搜索，直到控制過程滿足工藝控制要求 [10][11]。 參數(shù)整定方法 （ 1） 經(jīng)驗(yàn)整定法 可根據(jù)表所示的被控過程特點(diǎn)確定控制器參數(shù)的范圍。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)變化的趨勢做出反應(yīng)，在偏差信號(hào)變得過大之前，引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)到系統(tǒng)中，加快了系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少 了調(diào)節(jié)時(shí)間。積分環(huán)節(jié)主要作用在于消除靜差。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （ ） PID 控制器 P 、 I 、 D 環(huán)節(jié)的作用以及調(diào)節(jié)規(guī)律： (1) 比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控 制系統(tǒng)偏差信號(hào)，一旦產(chǎn)生偏差 e(t)，控制器隨之產(chǎn)生控制作用，實(shí)現(xiàn)減小偏差，但不能夠消除系統(tǒng)偏差隨著比例系數(shù) Kc 的增大，系統(tǒng)偏差減小，但比例系數(shù)過大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)由被控對(duì)象和模擬 PID 控制器構(gòu)成，圖 為控制系統(tǒng)原理圖，圖中 u(t)是 PID 調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)量 [9]。 PID 控制作為連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式，其具有理論成熟，算法簡單，控制效果優(yōu)，易被人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。 本次課程設(shè)計(jì)中將使用外接給定方式的外接模擬量信號(hào)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 控制系統(tǒng) PID 原理及整定 PID 控制原理 在變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)功能的 PLC 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。可以使用給定線進(jìn)行頻率信號(hào)的控制。外接模擬量控制信號(hào)時(shí)，電壓信號(hào)一般有： 0~5V、 0~10V 等，外接電流電流信號(hào)一般有： 0~20mA 或 4~20mA。 （ 2）外接給定方式 通過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定信號(hào)送給變頻器。使用變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)如下 (1) 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流； (2) 降低電力線路電壓波動(dòng)； (3) 啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低； (4) 可控的加速功能； (6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限； 12 (7) 受控的停止方式； (8) 節(jié)能； (9) 可逆運(yùn)行控制； (10) 減少機(jī)械傳動(dòng)部件。 （ 3）變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 大部分的電機(jī)拖動(dòng)場合均可使用變頻調(diào)速，由于其能夠提供精確的速度控制，因此可方 便地控制機(jī)械傳動(dòng)的上升、下降和變速運(yùn)行。 （ 2）目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。在工業(yè) 自動(dòng)化方面和節(jié)能方面廣泛使用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，其應(yīng)用前景十分廣闊。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著 [8]。當(dāng)使用調(diào)速控制時(shí)，如果采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，平衡工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)轉(zhuǎn)移到D 點(diǎn)。綜上關(guān)系可得，水泵輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方 成正比，即： HQkP1? () Qkn 2? () 23QkH? () 3knP? () 式中 k、 k k k3為比例常數(shù)。它的工作原理是通過用戶用水需求量的改變自動(dòng)調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以達(dá)到管網(wǎng)壓力始終保持恒定的目的，用水量減小時(shí)電機(jī)減速，用水量增大時(shí)電機(jī)加速。因而，揚(yáng)程特性隨水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。在實(shí)際用水中，水需求量是實(shí)時(shí)變化的，如果在一段時(shí)間內(nèi)閥門開度保持不變，必然出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。閥門控制法通過調(diào)節(jié)閥門開度以調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定不變。通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變 10 頻調(diào)速。通過異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供水泵旋轉(zhuǎn)供水，將電機(jī)和水泵做成一個(gè)整體， 通過變頻器改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量以實(shí)現(xiàn)恒壓供水。只有在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)的供水流量 Qc 和用戶的用水流量 Qu 處在平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既符合了管阻特性，也滿足了揚(yáng)程特性 ，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。因此，管阻特性反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。管阻特性說明了水泵能量被用來克服水泵系統(tǒng)的壓力及水位差、液體在供水管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。因?yàn)樵陂y門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量的值主要取決于用戶的用水量，因此，揚(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系 H=f(Qu)。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種性能優(yōu)越、工作穩(wěn)定的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。電源頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，就能夠平滑的改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。下面對(duì)改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化也大，因此僅在特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器中適用。