【正文】 用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手 /自動(dòng)切換等。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn) 行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制。 (3)控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) )、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 ② 報(bào)警信號(hào) :它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量 的補(bǔ)充。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖 4個(gè)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 圖 供水系統(tǒng)方案圖 變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 圖 控制原理圖 如圖 ，整個(gè)系統(tǒng)由四臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái) PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。 考慮以上六種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第六種方案。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。這些產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。所以，在變頻調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這樣，可編程控制器的成本沒有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價(jià)格很 高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或 PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)可編程控制器來講。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，從而使 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 15 管網(wǎng)水壓連續(xù)變化 。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶。如圖 所示，是這棟小樓的供水流程。 課題研究的對(duì)象 圖 供水流程簡(jiǎn)圖 此次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào) 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等功能。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況 (如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等 )時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng) 器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。 (3)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(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成 片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水 量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。在恒壓供水中常見的 PID控制器的控制形式主要有兩種 : (1)硬件型：即通用 PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P、 I、 D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定 。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 12 PID控制框圖 圖 PID控制框圖 通過對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動(dòng)作用的負(fù)載?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅 P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。 對(duì)于 PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú) D動(dòng)作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。但是， I動(dòng)作過強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I動(dòng)作的 PI控制。積 分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合 ,組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào) 節(jié)器 。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti 越小 ,積分作用就越強(qiáng)。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,提高無差度。 PID調(diào)節(jié)器 PID 是比例 ,積分 ,微分的縮寫 .BR比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差 ,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差 ,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。從而節(jié)省了無功功率消耗的能量。 減少無功功率 無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因無功功率因素的降低導(dǎo) 致電網(wǎng)有功功率的降低。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 軟啟動(dòng) 工頻狀況下馬達(dá)采用的是星三角降壓延時(shí)啟動(dòng)，此時(shí)電流是電機(jī)額定電流的 4— 7倍，若多臺(tái)大功率的電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，將對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊。而傳統(tǒng)的擋板和法門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，耗用功率變化不大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (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(jiǎn)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，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 S7200 有 5 種 CPU 模塊，最多可擴(kuò)展 7 個(gè)擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到 248點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或 38 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間； （ 2） 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件； （ 3） 靈活方便的尋址方法； （ 4） 強(qiáng)大的通信功能和 品種豐富的配套人機(jī)界面； （ 5） 有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格； （ 6） 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。 S7200PLC 簡(jiǎn)介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。 5. 電源 電源單元的作用是把外部電源（ 220V 的交流電源）轉(zhuǎn)換成內(nèi)部工作電壓。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 4. 外設(shè)接口 外設(shè)接 口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設(shè)接口組成 PLC 的控制網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)輸入單元形式的不同，可分為基本 I/O 單元、擴(kuò)展 I/O 單元兩大類。輸入電路通常以光電隔離和阻容濾波的方式提高抗干擾能力，輸入響應(yīng)時(shí)間一般在 ~15ms之間。 EEPROM 兼有 ROM 的非易失性和RAM 的隨機(jī)存取優(yōu)點(diǎn)，用來存放需要長(zhǎng)期保存的重要數(shù)據(jù)。用戶程序和中間運(yùn)算數(shù)據(jù)存放的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 中，RAM 存儲(chǔ)器是一種高密度、低功耗、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可用鋰電池做備用電源。 2. 存儲(chǔ)器 可編程控制器的存儲(chǔ)器由只讀存儲(chǔ)器 ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 和可電擦寫的存儲(chǔ)器 EEPROM 三大部分構(gòu)成，主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。通用型微處理器常見的如 Intel 公司的 808 8018到 Pentium 系列芯 片，單片機(jī)型的微處理器如 Intel公司的 MCS96系列單片機(jī)，位片式微處理器如 AMD 2900系列的微處理器。 CPU 的功能有：它在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，通過掃描方式，將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)寫入輸入映象寄存區(qū)域， PLC進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，從存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等，然后將結(jié)果送到輸出映像寄存區(qū)域。這些電路通常都被封裝在一個(gè)集成的芯片上。 1. CPU 單元 CPU 是可編程控制器的控制中樞，相當(dāng)于人的大腦。 可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 核心的結(jié)構(gòu)。 ④輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個(gè)刷新時(shí)間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； ⑤輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出 鎖存器中的狀態(tài)決 定。 PLC 的工作過程 圖 PLC的掃描工作過程 PLC是在系統(tǒng)軟件的控 制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，如圖 。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易 。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對(duì) PLC 做了如下定義 :“ 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。以變頻器為核心結(jié)合 PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài) . 變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式 (如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等 )，是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù) .它采用微機(jī)控制技術(shù) 。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管 (市政來水管 )進(jìn)口壓力保持恒定為條件。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。 該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn) 速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) 。它將 PID調(diào)節(jié) 器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。從查閱的資料的情況來看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一 臺(tái)