【正文】 器的輸出頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是 0HZ。 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)變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時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)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制下自動投入水泵 M2(變 速運行 )，同時變頻泵M1 做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。 (2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值。由于電信號為模擬量，故必須通過 PLC 的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID 運算，再將運算 后的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 14 換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(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，實現(xiàn)變頻恒壓供水。所以，在某個特定時段內(nèi) ，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水 壓力上 [10]。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。供水控制計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 13 器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 (3) 控制機(jī)構(gòu)：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)備三個部分。信號有效時，控制 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 系統(tǒng)要 對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 12 度的要求。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試 方便。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。 (2) 通用變頻器 +單片機(jī) (包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾， 變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè) 備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。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。當(dāng)用調(diào)速控制時， 若采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線為 b2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，工作點從 E 點移到 D 點。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 當(dāng)用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在 E 點，流量為 Q1，揚程為 H0，當(dāng)供水量從 Q1減小到 Q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 b3移到 b1，揚程特性曲線不變。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出 功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 10 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 中 A 點。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程 H 與流量 Q之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。原理圖見圖 21 圖 21 恒壓供水原理圖 供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。 變 頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運行性能惡化。 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。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的 調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗 [7]，且成本高而影響它的推廣價值。例如：當(dāng)流量下降到 80％ ，轉(zhuǎn)速也下降到80％ 時，其軸功率則下降到額定功率的 51％ ；當(dāng)流量降到 50％ ，軸功率將下降到額定功率的 13％ ，即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引起效率下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。 H1/ H2= (n1/n2) 2。那么下面我們就關(guān)心的問題就是水流量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系。s— 轉(zhuǎn)差率 。 從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 由交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式 n=60f 1/p*(1s) （式中 n— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 。硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O 點數(shù)，列出 I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計中有 3 個貯水池， 3 臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3臺水泵中只有 1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。 S7200 有 5種 CPU模塊，最多可擴(kuò)展 7 個擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到 248 點數(shù)字量 I/O 或 38路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間； (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； 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 6 (4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面； (5) 有競爭力的價格； (6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。 西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(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。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。此時的 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 增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機(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，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(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)控計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 5 制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。在 1987 年國際電工委員會 (International Electrical Committee)頒布的 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對 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)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。在實際應(yīng)用 中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義 。 變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水 行業(yè) 得到了廣泛應(yīng)用。單元水箱和單元增壓泵實際上是一個整 體，我們稱之為單元增壓器。該方式是較成熟的水泵、水箱供水方式。單幢次高層和高層建筑的高壓供水區(qū)較多采用該種方案。各臺水泵自動輪換使用，即最先投入使用的水泵最早退出運行，這樣各臺水泵壽命均等，而且一旦水泵出現(xiàn)故障，該系統(tǒng)能自動跳過故障泵運行。 恒壓變頻供水是較為理想和先進(jìn)的。一般設(shè)計有地下生活水池一座，集中恒壓變頻供水，不設(shè)屋頂水箱。 目前 ,就國內(nèi)而言，歸結(jié)起來主要采用以下三種方法 : 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 4 （ 1）水池－水泵（恒壓變頻或氣壓罐）－管網(wǎng)系統(tǒng)－用水點 這種方式是集中供水。目前有許多工控組態(tài)軟件。工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)，使得大型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單、容易，工程設(shè)計人員不用再設(shè)計那些復(fù)雜的應(yīng)用程序（如 I/O driver 等）。組態(tài)軟件均具有良好的擴(kuò)展性、兼容性，軟件結(jié)構(gòu)開放，可接受各種形式的數(shù)據(jù)格式。在軟件設(shè)計上由于采用成熟的工控開發(fā)的工具軟件，它為用戶提供了多種通用工具模塊，用戶不需要掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能。組態(tài)（ configuration）意思就是模塊的任意組合，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計上，除采用工業(yè) PC 機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的 I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本不再需要單獨進(jìn)行具體電路設(shè)計。 組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。 基于 PLC 和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 3 性差；自動化程度不高等缺點，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 (4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方 便。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求 較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。