【正文】 補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，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)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長。 根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定 3臺常規(guī)泵采用 格蘭富 水泵 CR324 AFAE HE，其額定揚程為 ，其余條件也均符合，輔助泵選擇 CR156 ， 其 額定流量 15m3/h， 6級葉輪的多級離心水泵，功率 ，揚程 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 水泵 型號進(jìn)行選擇 ， 因為總樓層高度為 12*3+3=39m， 計算出水壓 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)計為 15米，建筑總揚程在54米。（本課題所考慮的三臺水泵通過變頻器控制工頻 /變頻切換組合運行， 另一臺輔助泵協(xié)助運行，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。水泵揚程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。在水泵選型時有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚程選擇滿足揚程要求的水泵。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動機的參數(shù)，以使電動機與變頻器相配，電動機參數(shù)如表 所示 電動機參數(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變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 變頻器與模擬量擴展擴展的連接 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)電動機的轉(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，恰好其輸出信號能作為 的水泵電機的輸入信號。它是用于三相交流電動機調(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，具有較高的運行可靠性和很強的功能。供水系統(tǒng)屬于泵類負(fù)載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f 控制變頻 器 [11]。要求系統(tǒng)實現(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)行機構(gòu)的硬件，通過改變頻率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，從而改變出水流量。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長 (16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換 成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 4) 穩(wěn)定時間：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)換時間小于 250us。故主要對此類擴展模塊進(jìn)行簡要介紹。擴展模塊主要有四類：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，具有 7 個擴展模塊，可以自由擴展。 (3) 與擴展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。其有以下特點： (1) 具有 24 個輸入點， 10 個輸出點，共 40 個數(shù)字量 I/O 點。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常 I/O 點數(shù)按實際需要的考慮留 10%～ 15%點數(shù)備用量。 (3) PLC 容量的選擇 PLC 容量主要是指是 PLC 的 I/O 點數(shù)， I/O 點數(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 點的平均價格比模塊式的便宜，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 能力強弱的指標(biāo)，決定了 PLC 處理能力、控制能力的強弱。 。 （ 3） PLC 的性能指標(biāo) 。 ，擴展能力強。 。 報警控制輸出 A/D 模塊 PLC 通訊模塊 變頻器 壓力變送器 人機界面 水泵機組 故障狀態(tài)輸入 17 部設(shè)備連接方便。 。 （ 2） PLC 的特點： 。 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)上頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 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)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。 16 第四章 控制系統(tǒng)硬件電 路設(shè)計 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 及其擴展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機組 (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)驗整定法 可根據(jù)表所示的被控過程特點確定控制器參數(shù)的范圍。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號變化的趨勢做出反應(yīng)，在偏差信號變得過大之前，引入一個有效的早期修正信號到系統(tǒng)中，加快了系統(tǒng)的動作速度，減少 了調(diào)節(jié)時間。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，一旦產(chǎn)生偏差 e(t)，控制器隨之產(chǎn)生控制作用，實現(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)過大會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)由被控對象和模擬 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。 本次課程設(shè)計中將使用外接給定方式的外接模擬量信號實現(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)計中，選用了具有 PID 調(diào)節(jié)功能的 PLC 實現(xiàn)閉環(huán)控制，保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定?？梢允褂媒o定線進(jìn)行頻率信號的控制。外接模擬量控制信號時，電壓信號一般有： 0~5V、 0~10V 等，外接電流電流信號一般有： 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)定信號送給變頻器。使用變頻調(diào)速的優(yōu)點如下 (1) 控制電機的啟動電流； (2) 降低電力線路電壓波動； (3) 啟動時需要的功率更低； (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) 可逆運行控制； (10) 減少機械傳動部件。 （ 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)點及應(yīng)用 大部分的電機拖動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 便地控制機械傳動的上升、下降和變速運行。 （ 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，如果采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，平衡工作點從 E 點轉(zhuǎn)移到D 點。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調(diào)整水泵電機轉(zhuǎn)速，以達(dá)到管網(wǎng)壓力始終保持恒定的目的，用水量減小時電機減速，用水量增大時電機加速。因而，揚程特性隨水泵電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，其管阻特性沒有發(fā)生變化。在實際用水中，水需求量是實時變化的，如果在一段時間內(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)速而實現(xiàn)異步電動機的變 10 頻調(diào)速。通過異步電動機驅(qū)動供水泵旋轉(zhuǎn)供水，將電機和水泵做成一個整體， 通過變頻器改變異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量以實現(xiàn)恒壓供水。只有在這一點，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，也滿足了揚程特性 ，系統(tǒng)平穩(wěn)運行。因此，管阻特性反映的是揚程與供水流量 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阻力的變化規(guī)律。因為在閥門開度和水泵轉(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，揚程特性反映的是揚程 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機的轉(zhuǎn)速 n。下面對改變電源頻率調(diào)速的方法及特點進(jìn)行重點分析。 從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機極對數(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，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速運行時轉(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)機器中適用。