【正文】 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 警 、 控 制等 量 輸 出人 機 界 面上 位 機 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 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 ,該系統(tǒng)的 主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分 ： (1) PLC 及其擴展模塊 、 (2) 變頻器 、 (3) 水泵機組 、 (4) 壓力變送器 、 (5) 液位變送器 。另外， 實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情 況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。 如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增加了機 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， 實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 若出現(xiàn) sfPP? 時就 進(jìn)行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。 所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換， 將另 一臺 工頻 泵 M3 關(guān)掉 。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼 續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換， 將另一臺工頻 泵 M3投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(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)啟動信號后，首先啟動變頻器拖 動變頻 泵 M1工作， 根據(jù) 壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設(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，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如 圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 通過安裝在用戶 供水管道上的壓力變送器 實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4—20mA 的電信號 ，此檢測信號是實現(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常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(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)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。 根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，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 器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機 ； 變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運行在 50Hz 時，其供水量仍不能達(dá)到用水要山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 15 求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可 以選擇 [9]， 本 設(shè)計中采用 前 者 。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 的核心。此信號來自安裝于水池中 的液位傳感器 ； 報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。 管網(wǎng) 水壓信號反映 的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 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)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 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 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 從圖中 可看出 ，系統(tǒng)可分為 ： 執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為 ： (l) 執(zhí)行機構(gòu) ： 執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由 一臺 變頻泵和 兩臺工頻 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的轉(zhuǎn)速，以維山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 持管網(wǎng)的水壓恒定 ；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時） 的情況下 投入工作 。 通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種 控制方 案 更適合于本系統(tǒng)。同時由于 PLC 的抗 干山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 13 擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ，通用性強； 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用 于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇 [8]： (1) 有供水基板的變頻器 +水泵機組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。 變頻 恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定 控制 方案的比較和確定 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有 壓力變送器、 變頻器、恒壓控制單元、水泵山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 12 機組以及低壓電器組成。此時水泵輸出功率 正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以 當(dāng)用閥門控制流量時，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被浪費掉 ，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。而揚程則從 H0上升到 H1，運行工況點從 E 點移到 F 點， 此時水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成 正 比，即 ： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 10 水的。在這一點，用戶的用水流量 Qu 和供水系統(tǒng)的供水流量Qc 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。 管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系H=f(Qu)。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機的轉(zhuǎn)速。下面重點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。 從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有 ： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。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，最多可擴展 7 個擴展模塊，擴展到 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)，功能強大、使用方便的編程軟件； (3) 靈活方便的尋址方法； 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 7 (4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面； (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)展了大型機和超小型機；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 為微機技術(shù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論 6 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)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴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。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使 其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐 [4]。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不