【正文】 量； (3) 輸出方面的保護(hù)措施； (4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。其中 ~分別負(fù)責(zé)輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號(hào)； 號(hào)； 變頻器故障報(bào)警信號(hào)； 行信號(hào)； 報(bào)警電鈴信號(hào)； ； AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)輸入擴(kuò)展模塊 EM235 的模擬量輸入端口，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送至 PLC 進(jìn)行再處理； ；水池水位通過液位變送器 測(cè)得數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)傳送至窗口比較器，當(dāng)實(shí)際的水位超出窗口比較器中的水池水位上下限時(shí)，窗口比較器會(huì)輸出高電平 1，送入 ； 為故障報(bào)警信號(hào)端口； 為試燈信號(hào)，與開關(guān) SB7 相連，手動(dòng)檢測(cè)時(shí)即可用此端口檢測(cè)各部件指示燈是否正常工作；開關(guān) SA1白天 /夜間兩種模式的切換。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 所示。 (4) 水泵在啟動(dòng)時(shí)通常使用軟啟動(dòng)，但水泵系統(tǒng)具有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，在緊急情況下或者檢修時(shí)才能使用。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長時(shí)間工作的情況下。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA 的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。當(dāng) 輸出 1時(shí)， KM2 線圈得電， 1水泵 變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點(diǎn)亮，同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時(shí)開啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由 PLC程序控制。同理，可以通過按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過按下 SB SB6 來 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 13 使電機(jī) M M3 停機(jī)。 SB1 按下時(shí)由于 KM2 常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下： (1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下的電源指示燈。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng) SA 打在1的位置時(shí)，此時(shí)為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的位置時(shí)，此時(shí)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 PLC 主要用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，負(fù)責(zé)以下功能的實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換； 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使 用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。為了使變頻器更高效，所以要接電抗器來提高變頻器的功率因素。若轉(zhuǎn)向相反，則需要通過改變電源相序來調(diào)整轉(zhuǎn)向。同時(shí)在轉(zhuǎn)換開關(guān)處接電壓表測(cè)線電壓，電壓表還可通過轉(zhuǎn)換開關(guān)測(cè)得不同相之間的線電壓，由此可以使系統(tǒng)更實(shí)用簡潔。同樣的當(dāng)水泵機(jī)組從工頻狀態(tài)轉(zhuǎn)為變頻狀態(tài)時(shí)，工頻接觸器必須先斷開，才允許變頻器輸出端與接觸器接通，所以 KM1和 KM KM3 和 KM KM5 和 KM6 絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖，防止上述情況的發(fā)生。變頻器的輸出端必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，不能直接與電源相連接，這是為了保證變頻器過載時(shí)的安全性。低壓熔斷器除除了可以保護(hù)接通電源外，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，對(duì)應(yīng)的熱繼電器 FR 則可以對(duì)每臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 10 圖 恒壓供水控制系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)過低壓熔斷器、隔離開關(guān)連接至變頻器的 R、 S、 T 端，電機(jī)通過接觸器的觸點(diǎn)與變頻器的 U、 V、 W 端相連。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換到下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主 電路圖如圖 所示 ：執(zhí)行機(jī)構(gòu)由三臺(tái)水泵電機(jī)組成，分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。此模塊的輸入輸出端口能夠自動(dòng)完成 A/D 和 D/A 的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換信號(hào)可以是一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)，也可以是標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出信號(hào)。由于原有的設(shè)備已經(jīng)不能實(shí)現(xiàn)，所以需要擴(kuò)展模塊的補(bǔ)充，在此選擇的是 EM235。 根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目和預(yù)留量的考慮，因此選用的主模塊為CPU226，它有 16 點(diǎn)開關(guān)量輸出口，以 AC220V 繼電器形式輸出；有 24點(diǎn)開關(guān)量輸入口，以 +24V 直流形式輸入。S7200 型 PLC 的特點(diǎn)較為突出：整體結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格實(shí)惠，高性價(jià)比。因此在選擇 PLC 時(shí)，首先要考慮 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 9 PLC 的整體性能，如：指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、帶擴(kuò)展模塊的能力、通訊接口及協(xié)議、編程軟件的方便與否等。 實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 7 式中： UPf ：上限頻率 LOWf ：下限頻率 sP ：設(shè)定壓力 fP ：反饋壓力 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 8 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的恒壓供水控制系統(tǒng)的原理，控制系統(tǒng) 框圖如圖 所示： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報(bào) 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動(dòng) 、 自耦 變 壓 器 圖 控制系統(tǒng)框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,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) 壓力變送器、 (5) 液位變送器。另外，供水壓力超調(diào)量的影響以及現(xiàn)場(chǎng) 的干擾使實(shí)際壓力的測(cè)量值有尖峰值出現(xiàn)的情況，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足。如果在實(shí)際用水量不變的情況下，供水泵站中的所有水泵機(jī)組就會(huì)存在一種循環(huán)，即投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地一直循環(huán)下去，機(jī)組切換的次數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)增加，系統(tǒng)也會(huì)處于一種長期不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際供水壓力處于不斷波動(dòng)之中。如果 sfPP? ， PLC 會(huì)進(jìn)行機(jī)組切換，由于突然增加了一臺(tái)水泵機(jī)組，供水壓力很可能在短時(shí)間內(nèi)超出了壓力設(shè)定值，系統(tǒng)很有可能做出停掉一組水泵機(jī)組的指令，長此以往對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性損傷非常大。因此水泵機(jī)組工作室的切換頻率上下限分別為 50HZ 和 20HZ。毫無疑問，這個(gè)頻率是遠(yuǎn)大于 0HZ 的。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)，水泵開始向上抽水，已經(jīng)送入管網(wǎng)的水會(huì)對(duì)水泵有反作用力，阻止水泵的抽水運(yùn)行，所以一旦電機(jī)的運(yùn)行頻率降到一定程度時(shí)，就已經(jīng)不能向管網(wǎng)送水，實(shí)際的管網(wǎng)中的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。另外，由于變頻器不可能輸出負(fù)值，最多只能是 0HZ，就是變頻器停止工作。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng) 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 6 的實(shí)際水壓仍低于設(shè)定壓力，仍需要增加水泵來滿足供水要求，來達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)仍需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。 (4) 當(dāng)用水量開始下降，管網(wǎng)水壓開始升高，變頻器輸出的頻率也已降至下限，管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并滿足減少水泵機(jī)組的條件時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)關(guān)掉工頻泵 M2，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量持續(xù)增加，同時(shí)增加水泵的條件也已經(jīng)滿足，將會(huì)重復(fù)上面 的轉(zhuǎn)換行為，并將指定工頻泵 M3 進(jìn)入工頻運(yùn)行狀態(tài)。反之，當(dāng)用水量減少使管網(wǎng)水壓增大時(shí)，通過與前面相反的壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，減小水泵的轉(zhuǎn)速直至穩(wěn)定在另一個(gè)新的穩(wěn)定值。當(dāng)輸出水壓達(dá)到設(shè)定值，用水量與供水量達(dá)到相對(duì)平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速值，這期間 Ml 將處于調(diào)速運(yùn)行的穩(wěn)定工作狀態(tài)。由于電信號(hào)為模擬量，還需通過 PLC 內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào) 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 5 通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水功能。所以，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的允許波動(dòng)供水壓力內(nèi)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)是以控制供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，使實(shí)際供水量始終處于設(shè)定的供水壓力范圍。 任何控制系統(tǒng)，報(bào)警器絕對(duì)是必不可少的重要組成部分。變頻固定式是指變頻器始終拖動(dòng)某一臺(tái)水泵機(jī)組作為調(diào)速泵，當(dāng)供水量無法滿足要求時(shí)，并且此組水泵機(jī)組已經(jīng)是工作在 50HZ 的頻率下，這是就需要增加另一臺(tái)水泵機(jī)組來增大管網(wǎng)水壓，系統(tǒng)會(huì)直接啟動(dòng)一臺(tái)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵機(jī)組，原來的調(diào)速泵依然運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)；變頻循環(huán)式也是當(dāng)供水要求無法滿足時(shí)，需要增加額外的水泵機(jī)組，但新增加的水泵機(jī)組做變頻運(yùn)行，原來的變頻調(diào)速泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行狀態(tài)。 PLC 直接處理系統(tǒng)中傳來的各方數(shù)據(jù)，如壓力信號(hào)、液位信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等，對(duì)收集的數(shù)據(jù)和設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再做出相應(yīng)的控制操作；變頻器是 PLC 的執(zhí)行單元， PLC 送來的控制信號(hào)作用于變頻器，變頻器通過改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：控制系統(tǒng)包括 PLC、變頻器和電控設(shè)備，一般整體安裝于控制柜中。當(dāng)信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)并對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。由于終端檢測(cè)得到的是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) ：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，需要檢測(cè)相關(guān)信號(hào)來及時(shí)調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，此時(shí)就需要檢測(cè)管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。以變頻器為核心結(jié)合 PLC組成的控制系統(tǒng)也具有諸多特點(diǎn)，如：高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等。因此，有待于廠家進(jìn)一步研究改善 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，給用戶提供更方便，更簡單的服務(wù)。 目前國內(nèi)有不少公司在做 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)的工程，但主要設(shè)備如變頻器，仍大多采用國外品牌。但這也體現(xiàn)出了這類產(chǎn)品的先天不足，這類設(shè)備雖說微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備投入，但其輸出接口仍缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能依然不高，與別的設(shè)備之間難以形成有效的數(shù)據(jù)通信， 而且限制了帶負(fù)載的容量。之后國外生產(chǎn) 變頻 器的廠家開始推出能夠同時(shí)服務(wù)于多臺(tái)工作機(jī)組的 變頻 器。從早期的相關(guān)資料顯示情況來看，國外的恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初都只采用了一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)水泵機(jī)組