【正文】 所帶負(fù)荷情況，合理確定水泵的臺(tái)數(shù)。 實(shí)際使用時(shí)，只能按標(biāo)牌所注揚(yáng)程和流量的80%～90%估算，水泵配套動(dòng)力的選擇，可按標(biāo)牌上注明的功率選擇，但為了使水泵啟動(dòng)迅速和使用安全，動(dòng)力機(jī)的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出10%左右為宜。 （3）要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。 ～。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)， 表 設(shè)置電動(dòng)機(jī)參數(shù)表參數(shù)表設(shè)置值說明P0031用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)P01001快速調(diào)試P0100功率以KW為單位，頻率為50HZP0304380電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）P0305電動(dòng)機(jī)額定電流（A）P0307電動(dòng)機(jī)額定功率（KW）P031050電動(dòng)機(jī)額定頻率P0311電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min） 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù)參數(shù)號(hào)設(shè)置值說明P00031/2用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)/擴(kuò)展級(jí)P0004命令和數(shù)字I/OP07002命令源選擇“由端子排輸入”P07011數(shù)字輸入端1接通正轉(zhuǎn)，斷開停止P07022數(shù)字輸入端2接通反轉(zhuǎn)，斷開停止P10002頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入”P1080電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最低頻率（HZ）P108250電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最高頻率（HZ）P1120斜坡上升時(shí)間（s）P1121斜坡下降時(shí)間（s） 供水系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)是依靠水泵抽水來實(shí)現(xiàn)的，水泵作為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，水泵型號(hào)選擇是否合適將影響系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能高效、安全穩(wěn)定的重要因素。首先按下P鍵對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時(shí)的狀態(tài)。（1） PLC部分設(shè)計(jì) PLC控制系統(tǒng)使用CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴(kuò)展模塊EM235 AIW0 EM235模擬量輸入通道1，接一精密電位器； AQW0 EM235模擬量輸出通道1，接MM440的端口3和4。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。其采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動(dòng)機(jī)和變頻器保護(hù)功能，內(nèi)置RS485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行自定義。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門子S7200型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的MicroMaster440變頻器。根據(jù)不同控制功能，變頻器可分為三種類型：普通功能型U/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。變頻器須根據(jù)水泵電機(jī)的電流和功率進(jìn)行選擇。針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，EM235模塊可以通過DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是EM235，該模塊具有4個(gè)模擬輸入(AIW)通道，1個(gè)模擬輸出(AQW)信號(hào)通道。 3) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于250us。 (3) EM235：模擬量混合輸入/輸出(AI/AO)模塊， 1) 4路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓：32000~+32000；電流0~+32000。 3) 最大輸入電壓30VDC，最大輸入電流32mA。 (1) EM231：4路12位模擬量輸入（AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓：0~10V、0~5V；電流：0~20mA。本次設(shè)計(jì)中需要擴(kuò)展一個(gè)采集處理壓力信號(hào)的模擬信號(hào)，應(yīng)擴(kuò)展一個(gè)模擬量輸入/輸出（AI/AO）模塊。為了擴(kuò)展I/O點(diǎn)和執(zhí)行特殊的功能，S7200系列PLC可以連接擴(kuò)展模塊（CPU221除外）。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強(qiáng)勁。 (4) 具有13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、6個(gè)獨(dú)立的30kHZ的高速計(jì)數(shù)器、兩路獨(dú)立的20kHZ的高速脈沖輸出、PID控制器、1個(gè)RS485通信/編程口、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口PPI通信協(xié)議、多點(diǎn)接口MPI通信協(xié)議和自由通信口，絕對(duì)滿足設(shè)計(jì)需求。 (2) SIMENS S7200可編程序控制器是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 S7200 PLC的各種CPU特性比較CPU型號(hào)外形尺寸/mm數(shù)字量輸入數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊數(shù)量CPU221908062 6 4 0CPU222908062 8 6 2CPU224 14 10 7CPU226/CPU226XM1908062 24 16 7 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能（具體I/O分配見下文），考慮到I/O分配留有一定裕量，設(shè)計(jì)選用西門子S7200系列的CPU226型。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價(jià)格也較高，若備用的I/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。 (2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng)對(duì)于開關(guān)量控制的工程項(xiàng)目，由于現(xiàn)代PLC具有足夠高的速度處理大量的I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來說，PLC的響應(yīng)時(shí)間并不是主要的問題，所以對(duì)速度要求不高，一般選用低檔的PLC，如西門子公司的S7200系列機(jī)。 可編程序控制器（PLC）的選型 機(jī)型的選擇：PLC機(jī)型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價(jià)格比。它是衡量PLC能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，決定了PLC處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。功能更改靈活。與其他控制方式相比，性價(jià)比較高。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC及其擴(kuò)展模塊選型 PLC特點(diǎn)及性能指標(biāo) （1）PLC的定義可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 擴(kuò)充臨界比例帶法PID參數(shù)整定控制度調(diào)節(jié)規(guī)律Ts/TcrKc/KcrTi/TcrTd/TcrPIPIDPIPIDPIPIDPIPID模擬控制器PIPID（3）擴(kuò)充響應(yīng)曲線法擴(kuò)充響應(yīng)曲線法是模擬控制器響應(yīng)曲線補(bǔ)充，是一種開環(huán)整定方法。 5) 按求得的參數(shù)值，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)定運(yùn)行，并觀察控制效果?？刂贫仁且阅M控制器為基礎(chǔ)，定量衡量計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制器對(duì)同一對(duì)象的控制效果。 2）逐漸增大比例增益Kc，直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定邊界達(dá)到等幅振蕩，此時(shí)的比例增益為臨界比例增益Kcr，振蕩周期稱為臨界振蕩周期Tcr。 表 被控過程特點(diǎn)和控制器參數(shù)項(xiàng)目流量、液體壓力氣體壓力液位溫度、蒸汽壓力成分時(shí)滯容量數(shù)周期噪聲無多容量1~10s有無單容量0無無單容量1~10s有變動(dòng)3~6Min~h無恒定1~100Min~h往往存在比例度積分作用微分作用100%~500%50%~200%重要不用0~5%不必要不必要5%~100%少用不用10%~100%用重要100%~1000%重要可用 （2） 擴(kuò)充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法，實(shí)際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定數(shù)字PID算式中的Ts、Kc、Ti和Td。經(jīng)驗(yàn)整定法可先設(shè)置一個(gè)比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期Tp，然后根據(jù)被控過程的特點(diǎn)，當(dāng)采用PI控制時(shí)，設(shè)置Ti=（~1）Tp；對(duì)溫度、成分等被控過程，可采用PID控制，設(shè)置Td=（~）Ti。微分環(huán)節(jié)主要作用是控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用則越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量增大，反之越強(qiáng)，引起系統(tǒng)振蕩。(2) 積分環(huán)節(jié)：只要偏差存在，控制就會(huì)發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差變?yōu)榱恪? PID控制原理圖PID控制規(guī)律： （）式中：Kc為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。PID控制器作為一種線性控制器，它是對(duì)設(shè)定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （）經(jīng)比例(P) 、積分(I) 和微分(D) 運(yùn)算后經(jīng)線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，所以稱之為PID控制器。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional (比例)、Integral (積分)、Derivative (微分)控制方式，即PID控制。 （3）通信接口方式 可以通過通信接口，如RS48PROFIBUS等，來進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。由模擬量進(jìn)行頻率設(shè)定時(shí)，給定頻率與對(duì)應(yīng)的給定信號(hào)X（電壓或電流信號(hào)）之間的關(guān)系曲線,稱做頻率給定線。外接數(shù)字量信號(hào)接口可用來設(shè)定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。 有3種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性，使變速不依賴于機(jī)械部分，同時(shí)可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，其主要原因是: （1）變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的變頻原理在本次變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)上文提及的電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理可知，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在改變電動(dòng)機(jī)頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。此情況下水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當(dāng)使用閥門控制流量時(shí)，有正比于(H1－H0)Q2的功率被損耗，并伴隨著閥門開度減小，閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線將上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也將隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從b3移到b1，揚(yáng)程特性曲線不變，揚(yáng)程從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從E點(diǎn)轉(zhuǎn)移到F點(diǎn)，水泵的輸出功率正比于H1Q2。從流體力學(xué)可得，水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率P與出水流量Q和管網(wǎng)的水壓H的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)水壓H與出水流量Q的平方成正比。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。轉(zhuǎn)速控制法則是通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開度，是通過改變水的動(dòng)能來改變流量。其實(shí)質(zhì)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量，因此，管阻隨閥門開度變化而變化，但是其揚(yáng)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。所以，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)。 恒壓供水系統(tǒng)基本特征水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。管阻特性曲線和揚(yáng)程特性曲線的交點(diǎn)，稱之為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。改變閥門開度，實(shí)際上改變的是在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供水能力。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下）。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚(yáng)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兩者之間的關(guān)系曲線。但僅通過電源頻率調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能的惡化。由公式可得，轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本與電源頻率f成正比。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級(jí)調(diào)速方式，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于可回收轉(zhuǎn)差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調(diào)速性能好，但是其線路過復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加，由于成本較高而影響了其推廣使用價(jià)值。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 （）式中異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，一般小于3%。由于水泵功率較大，為了避免直接啟動(dòng)電流過大，需要采用軟啟動(dòng)方法，即用變頻器來啟動(dòng)水泵[9]。當(dāng)正在運(yùn)行的供水泵全速運(yùn)行，但仍未達(dá)到給定壓力值時(shí)，切換變頻泵到工頻運(yùn)行，通過變頻器軟啟動(dòng)另一臺(tái)供水泵。 這樣保證系統(tǒng)的每臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)間接近，防止個(gè)別供水泵運(yùn)行時(shí)間過長損耗，而有的泵因長時(shí)間不用而銹死，從而有效的延長了設(shè)備的壽命。(3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動(dòng)。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動(dòng)控制，系統(tǒng)可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的軟啟動(dòng)、循環(huán)變頻、停止等操作過程。若出現(xiàn)電源瞬時(shí)停電的情況，系統(tǒng)立即停止運(yùn)行。由于本系統(tǒng)在不同的供水領(lǐng)域均可適用，所以為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運(yùn)行，防止因?yàn)殡姍C(jī)過載、變頻器運(yùn)行報(bào)警、電網(wǎng)波動(dòng)過大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后通過PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行報(bào)警顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成