【正文】 顯儀實現壓力的檢測、顯示和變送。 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉變?yōu)?~5V或4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器。它可以輸送清水及理化性質類似于水的無顆粒、無雜質不揮發(fā)、弱腐蝕介質，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調冷卻系統(tǒng)、消防給水等。根據本設計要求并結合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產的SFL系列水泵機組（電機功率75KW）。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設備之間的通信?？焖匐娏飨拗茖崿F了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。它是用于三相交流電動機調速的系列產品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。本系統(tǒng)中要實現監(jiān)控，所以變頻器還應具有通訊功能。 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構的硬件，通過頻率的改變實現對電機轉速的調節(jié)，從而改變出水量。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長(16bit)的數字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉換，一個字長(16bit)的數字信號能夠轉換成標準輸出信號。根據控制系統(tǒng)實際所需端子數目，考慮PLC端子數目要有一定的預留量，因此選用的S7200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型。： 本系統(tǒng)主要硬件設備清單主要設備型號及其生產廠家可編程控制器（PLC）Siemens CPU 226模擬量擴展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機組SFL系列水泵3臺（上海熊貓機械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y100、XMT1270數顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司) PLC及其擴展模塊的選型PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現以及對外的數據交換。所以，在實際應用中，相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。這個頻率遠大于0HZ，具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20HZ左右。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，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，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。(4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，使壓力重新達到設定值。(3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細闡述)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)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。(2) 當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，所以水泵的轉速增大，供水量增大，最終水泵的轉速達到另一個新的穩(wěn)定值。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數字信號通過D/A轉換模塊轉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，從而控制電動機的轉速，進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，實現變頻恒壓供水。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上[10]。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。(3) 控制機構：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))、變頻器和電控設備三個部分。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉換。(2) 信號檢測機構：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優(yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。(2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，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，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應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構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節(jié)參數尋優(yōu)困難，調節(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，實現管網水壓的恒定和水泵電機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據進行傳輸和監(jiān)控。所以調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。當用調速控制時，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。 管網及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，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。由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率P與管網的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速n與出水流量Q成正比；管網的水壓H與出水流量Q的平方成正比。變頻調速供水方式屬于轉速控制。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(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速控制法。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。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。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速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下揚程H與流量Q之間的關系曲線。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(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?，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，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。7山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調速原理水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： () 式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數，s表示轉差率。根據以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。PLC根據管網壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節(jié)流量，使供水管網壓力恒定。 本課題的主要研究內容本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC，S7200屬于小型PLC，在1998年升級為第二代產品，2004年升級為第三代產品，其特點如下[6]：(1) 功能強大。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現代技術的三大支柱之一。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言[5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。20世紀70年代初出現了微處理器?！? PLC的發(fā)展和應用世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司(DEC)研制的。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產過程。 PLC概述 可編程控制器的定義可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。原深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出了恒壓供水專用變頻器(~22kw)，無需外接PLC和PID調節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉速，水管管網壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現；有的采用單片機及相應的軟件予以實現。隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現和認可后，國外許多生產變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”、“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將PID調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現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，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護功能?？傊?，雖然國內變頻調速技術取得了較好的成績，但是總體上來說國內自行開發(fā)、生產相關設備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重?，F在，我國約有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調速技術的工作，但自行開發(fā)生產的變頻調速產品和國際市場上的同類產品相比，還有比較大的技術差距。從20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的基于VVVF技術的通用變頻器已商品化并廣泛應用。1964年，最