【正文】 設(shè)置一臺(tái)小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水；供水壓力要求恒定，尤其在換泵時(shí)波動(dòng)要??；(2)系統(tǒng)能自動(dòng)可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動(dòng)功能，各主泵均能可靠地實(shí)觀軟啟動(dòng)；MMM3選用小型號(hào)為40實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下：加泵條件： 且延時(shí)判別成立 減泵條件： 且延時(shí)判別成立 式中： ：上限頻率 ：下限頻率 ：設(shè)定壓力 ：反饋壓力 29 第3章 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的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，： 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出，系統(tǒng)所需要的主要硬件包括：(1)水泵機(jī)組、變頻器(2)PLC及擴(kuò)張模塊(3)壓力變送器及數(shù)顯儀 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。另外，實(shí)際供水壓力超調(diào)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，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(mǎn)足。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入—切出—再投入—再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實(shí)際供水壓力也會(huì)在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。若出現(xiàn)時(shí)就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過(guò)了設(shè)定壓力。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿(mǎn)足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另外一臺(tái)臺(tái)工頻泵M3關(guān)掉[7]。如果用水量繼續(xù)增加，滿(mǎn)足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另外一臺(tái)工頻泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測(cè)得的用戶(hù)管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。：恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)安裝在用戶(hù)供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失[7]。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計(jì)中采用前者。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。此信號(hào)來(lái)自安裝于水池中的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)[6]。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。管網(wǎng)水壓信號(hào)反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖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(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，：從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(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(hù)管網(wǎng)，其中由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(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；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無(wú)法滿(mǎn)足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。這些都由調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)控制。調(diào)節(jié)器接收了水壓的實(shí)測(cè)反饋信號(hào)后，將它與給定值比較，得到給定值與實(shí)測(cè)值之差。管網(wǎng)實(shí)測(cè)水壓回送到泵站控制裝置成為反饋，調(diào)節(jié)器是反饋的接收點(diǎn)。大部分調(diào)節(jié)器用數(shù)字量進(jìn)行設(shè)定，也有的調(diào)節(jié)器以模擬量方式設(shè)定。給定值即是系統(tǒng)正常工作時(shí)的恒壓值。恒壓供水水壓的高低依需要設(shè)定。系統(tǒng)跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)定值的偏差變化情況，經(jīng)變頻器內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算，由PLC控制變頻與工頻切換，自動(dòng)控制水泵電機(jī)投入臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)整恒壓供水。水壓傳感器將水壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱男盘?hào)送給調(diào)節(jié)器。圖中壓力傳感器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。其余水泵工頻運(yùn)行，以滿(mǎn)足不同用水量的需求，變頻—工頻雙主回路驅(qū)動(dòng)變頻器閉環(huán)調(diào)壓方式調(diào)節(jié)功能好，節(jié)電效果好且避免因變頻器故障而造成供水系統(tǒng)癱瘓的缺點(diǎn)[4]。這也有兩種配置方案，一是為每臺(tái)水泵電機(jī)配一臺(tái)變頻器，這當(dāng)然方便，電機(jī)與變頻器間不須切換，調(diào)試較簡(jiǎn)單，但購(gòu)買(mǎi)變頻器的費(fèi)用較高，不能很好有效地利用變頻器的調(diào)節(jié)功能，一旦變頻器有故障，就會(huì)使供水系統(tǒng)癱瘓，節(jié)電能力一般。而且水泵與電機(jī)都有維修的時(shí)候，備用泵是必要的。配單臺(tái)電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠的大，在用水量少時(shí)開(kāi)一臺(tái)大電機(jī)肯定是浪費(fèi)的。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(diǎn)，又能達(dá)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(lèi)不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線(xiàn)，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)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)+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+壓力傳感器這種控制的方式精度比較高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性?xún)r(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí)變頻器在運(yùn)行時(shí)，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(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。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(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)，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(dòng)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(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。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)[3]。從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：(1) 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)速的方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專(zhuān)門(mén)的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩變化也較大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。硬件設(shè)備選型、PLC選型、估算所需I/O點(diǎn)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(diǎn)數(shù)，列出I/O分配表，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。所有泵可設(shè)計(jì)成變頻循環(huán)軟啟動(dòng)的工作方式；在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換下即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；采用PID算法實(shí)現(xiàn)水壓的閉環(huán)控制；系統(tǒng)具有自動(dòng)、手動(dòng)操作功能。第2章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 課題任務(wù)理論分析 課題介紹設(shè)計(jì)是以供水系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，并引用計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，保證供水系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。早期的可編程序控制器，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。由于PLC采用了“三機(jī)一體化一的綜合技術(shù)即集計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電氣控制于一身，具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，因而與其它控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市場(chǎng)的要求：再加上PLC發(fā)展過(guò)程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化，使之從早期的邏輯控制、順序控制迅速擴(kuò)展到了連續(xù)控制，開(kāi)始進(jìn)入批量控制和過(guò)程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的支柱[2]?？梢钥闯觯壳霸趪?guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的，因此，有待于進(jìn)一步淡淡的研究改善，使其能更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。原深圳華為電氣公司（現(xiàn)已改名艾默生）和成都希望集團(tuán)（森蘭牌變頻器）也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器（），無(wú)需外接PLC盒PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)（丹麥丹弗斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換）。目前國(guó)內(nèi)有不少公司都在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外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，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)；有的采用PLC及相應(yīng)軟件予以實(shí)現(xiàn)。即1968年，丹麥的丹弗斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器后，隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)先以及顯著地節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)的施耐德公司推出了恒壓供水基板，備有PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件繼承在變頻器控制基板上，通過(guò)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)的供水系統(tǒng)。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求的不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在