【正文】 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。本文研究的主要內(nèi)容如下：1. 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)概況。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。 主要研究?jī)?nèi)容通過(guò)前面對(duì)傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國(guó)已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)控制方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來(lái)高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。我國(guó)的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵方面，但同國(guó)外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來(lái)，出現(xiàn)了智能化功率集成電路(IGBT)模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)?；?，包括了邏輯控制、功率、保護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。20 世紀(jì) 70 年代，電力電子器件開發(fā)了電力晶體管(GTR)和門極關(guān)斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展前景變頻恒壓供水是在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的，所以，談變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(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)的大功率變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制及監(jiān)控研究的不夠。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器()，無(wú)需外接PLC和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、停和定時(shí)循環(huán)。對(duì)于水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此，在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。隨著變頻技術(shù)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(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。更主要的是由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了氣壓罐中由于氣水接觸、隔膜與水接觸而可能造成的水質(zhì)二次污染，保證了用水水質(zhì)的安全可靠。此外，由于氣壓罐式的壓力不穩(wěn)，啟動(dòng)過(guò)于頻繁，加之又是硬啟動(dòng)，所以電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快，管網(wǎng)和衛(wèi)生設(shè)備也因水壓沖擊有加大泄漏的可能。在運(yùn)行效果上，氣壓罐式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐式的供水方式耗鋼量較大，因而，如果在全國(guó)推廣氣壓罐式供水系統(tǒng)，這對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)將是一項(xiàng)較大的投入。而且其變頻調(diào)速式水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，又降低了啟動(dòng)能耗，進(jìn)一步節(jié)能。同時(shí)水泵是滿頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。氣壓罐式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵在運(yùn)行時(shí)，是在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下。現(xiàn)將變頻調(diào)速供水方式和氣壓罐供水方式作一比較。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但是由于最不利點(diǎn)一般距離泵房較遠(yuǎn)，信號(hào)傳遞過(guò)程在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。⑵ 水泵出口變壓控制水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。⑴ 水泵出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點(diǎn)，這在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。由于氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開停。但這種供水方式對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過(guò)大，所以供水范圍較小。這種供水方式的原理與恒速泵加水塔的供水方式原理是相同的，差別只是水箱設(shè)在建筑物的頂層，占地面積與設(shè)備投資都有所減少。而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問(wèn)題。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時(shí)間比、開停頻率等有關(guān)，供水壓力比較穩(wěn)定。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。水塔的合理高度是使水塔最低水位略高于系統(tǒng)所需壓力。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。在這種供水方式中，水泵從蓄水池中抽水加壓后直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒(méi)有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用水網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低、供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高、供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備損壞。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，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，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效益以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II第一章 引 言 4 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景及研究意義 4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 8 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展前景 9 課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容 10 課題來(lái)源 10 主要研究?jī)?nèi)容 10第二章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 12 供水系統(tǒng)的基本特性 12 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成與原理簡(jiǎn)介 13 變頻調(diào)速的節(jié)能原理 14 變頻節(jié)能 14 功率因素補(bǔ)償節(jié)能 19 軟啟動(dòng)節(jié)能 19 多泵并聯(lián)恒壓供水節(jié)能 19 水泵運(yùn)行方式的選擇 21 變頻循環(huán)方式切換 21 變頻固定方式切換 22 多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題研究 23 變頻泵與固定泵容量配比問(wèn)題 23 多泵并聯(lián)供水系統(tǒng)中電機(jī)的供電源切換問(wèn)題研究 24 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) 26 本章小結(jié) 27第三章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 28 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)述 28 變頻恒壓供水常用實(shí)現(xiàn)方法介紹 29 PID控制法 29 模糊控制法 29 自適應(yīng)控制法 29 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方式簡(jiǎn)介 30 全自動(dòng)變頻恒壓控制方式 30 全自動(dòng)工頻運(yùn)行方式 31 恒壓供水系統(tǒng)總體概況介紹 32 本章小結(jié) 34第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 35 功能設(shè)定 35 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作流程的簡(jiǎn)單介紹 36 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系介紹 36 工作流程簡(jiǎn)介 37 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 38 主電路設(shè)計(jì) 38 控制電路設(shè)計(jì) 39 信號(hào)檢測(cè) 40 系統(tǒng)工作過(guò)程詳細(xì)分析 41 主要設(shè)備選取 42 PLC的選取 42 變頻器的選取 43 變送器的選取 43 本章小節(jié) 44第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 45 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié) 45 PID控制算法及特點(diǎn) 46 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則 49 變頻器參數(shù)設(shè)置及原理分析 50 PLC配置 58 S7200型PLC的特點(diǎn) 58 PLC的開關(guān)量輸入輸出點(diǎn) 58 PLC在該系統(tǒng)中的功用 59 PLC程序設(shè)計(jì) 60 本章小節(jié) 61總結(jié) 62參考文獻(xiàn) 65附錄 67致謝 72第一章 引 言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景及研究意義眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面的技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式，以下將逐一分析[1]。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。這種供水方式的水泵工作在額定流量、額定揚(yáng)程的條件下，水泵效率處于高效區(qū)。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要。而且在使用過(guò)程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞，泵不能進(jìn)行自動(dòng)地開、停，這樣泵的開、停將完全由人工操作，這樣將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。對(duì)于高層建筑，還可分層設(shè)水箱。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開停將全靠人來(lái)操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降和能耗急劇增加。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。因此很受歡迎，應(yīng)用十分廣泛。這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)設(shè)在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速供水的水泵調(diào)速控制方式有三種即水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的恒壓控制。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。是將每日24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出各時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日按時(shí)段變壓，各時(shí)段恒壓控制。它比水泵出口恒壓控制方式更能節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。⑶ 最不利點(diǎn)恒壓控制最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，最不利點(diǎn)的壓力恒定。變頻調(diào)速供水方式的基建、設(shè)備投資和占地面積比水塔式和氣壓罐式供水系統(tǒng)都要少，輸出水壓設(shè)定值可任意調(diào)節(jié)，方便靈活，適應(yīng)力強(qiáng)，可以說(shuō)是目前最理想的節(jié)能效果，最好的供水方式。變頻調(diào)速式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐式。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力超出系統(tǒng)所需壓力而造成能量的浪費(fèi)。而對(duì)于變頻調(diào)速式，當(dāng)系統(tǒng)用水量下降時(shí)，可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能。氣壓罐是用鋼材制造。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗大量鋼材的問(wèn)題；另外，由于氣壓罐體積大，一般數(shù)量多為2～3個(gè)，這樣需占地面積一般為幾十平米；而變頻調(diào)速中的調(diào)速裝置占地面積僅為零點(diǎn)幾平米，由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速比氣壓罐式供水系統(tǒng)節(jié)省了占地面積，由此將帶來(lái)土建投資的節(jié)省。氣壓罐式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它啟動(dòng)頻繁，而且由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容積僅占其總?cè)莘e的1/3～1/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣不僅增加了啟動(dòng)能耗，還將產(chǎn)生較大的噪聲和電信號(hào)的干擾，嚴(yán)重影響居民生活。調(diào)速式的供水系統(tǒng)沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分穩(wěn)定、可靠，不僅可避免電氣、機(jī)械沖擊，又由于壓力穩(wěn)定，可使小區(qū)管網(wǎng)和衛(wèi)生設(shè)備的泄漏量明顯降低，噪音、振動(dòng)下降，周圍居民的生活也不受影響或甚微。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)能、節(jié)省資源消耗、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能，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)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力變送器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)有不少公司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。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶的要求。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(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)，操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量、控制要求不高的供水場(chǎng)所。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，使其能被更好地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關(guān)器件，以小電流控制大功率的變換，其開關(guān)頻率低，且只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。20 世紀(jì) 80 年代，又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場(chǎng)控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門極)信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來(lái)的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。這無(wú)疑