【正文】 功率電機(jī)變頻 /工頻切換程序、報(bào)警程序；整個(gè)系統(tǒng)程序的工作過程以及編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。變頻調(diào)速恒供水系統(tǒng)方案；控制系統(tǒng)的工作過程 系統(tǒng)的工作過程分為以下三個(gè)工作狀態(tài)： 1電機(jī)變頻啟動(dòng)； 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行； 2電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行；變頻工頻切換技術(shù)解決方案。以及其特點(diǎn)。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測以及水質(zhì)監(jiān)測等。 由于 PLC強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得 PLC在我國的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 5． 安裝簡單，維修方便 。 4． 編程簡單易學(xué) 。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機(jī)對(duì)話的接口模塊 ； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。 2．具有豐富的 I/O 接口模塊 。 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PLC 的功能得到大大的增強(qiáng)，具有以下特點(diǎn) [4,5,6]： 1．可靠性高。 在發(fā)達(dá)工業(yè)國家， PLC 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。 進(jìn)入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微處理器的 檔次 普遍提高。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成， 主要功 能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展 ，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中 得到了廣泛的應(yīng)用。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化 3 是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。恒壓、供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。在實(shí)際應(yīng)用中得到了 很大的發(fā)展。變頻調(diào)速恒水位供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水 平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分 成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器 [4]。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。 70 年代以后，由于微 電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如無極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是直流電動(dòng)機(jī)由于換向器和電刷維護(hù)保養(yǎng)很麻煩，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。 由于 中小型自來水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r(jià)值。 本控制 系統(tǒng)將模糊控制、 PLC、變頻器、相應(yīng) 的 傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢， 并設(shè)計(jì)了配套的界面美觀、操作方便的自動(dòng)控制系統(tǒng) ， 使得 系統(tǒng)調(diào)試 和使用都十分 方便 ，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等方面的工作量。 依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制和管理，提高設(shè)備運(yùn)行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。并在此基礎(chǔ)之上配備相應(yīng)的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務(wù)管理水平。由于對(duì)大量的統(tǒng)計(jì)報(bào)表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)的分析手段，因此很難為運(yùn)行管理以及調(diào)度提供強(qiáng)有力的決策支持。此外，水廠作為城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，其日常的生產(chǎn)、計(jì)劃、運(yùn)行和管理都直接影響到城市的安全供水。用水低峰期時(shí)，管 網(wǎng)壓力經(jīng)常超過規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。由于城區(qū)用水量中居民生活用水所占的比例比較大，用水量的需求具有時(shí)變性。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。 廣西壯族自治區(qū) 欽州市自來水公司第一供水廠是該市城區(qū)內(nèi)的唯一的供水廠，是在解放前的老水廠基礎(chǔ)上改造擴(kuò)建 而成的。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的 達(dá)到目的。欽州市是廣西壯族自治區(qū)的港口城市，隨著城區(qū)的擴(kuò)大和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，欽州市城區(qū)用水量急劇上升，城區(qū)居民生活用 水和工業(yè)用水總量從 1994 年的 1700 多萬噸激增到 2020 年的 7500多萬噸。 1 第一章 緒 論 變頻調(diào)速恒水位供水的目的和究意義 近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從 1990 年到 1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有 升增加到 升，增長了 %[1]，與此同時(shí)我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。 在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。這種情況造成用水高峰期時(shí)水位達(dá)不到要求 ,供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水水位超標(biāo) ,壓力過高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。供水廠以前雖然也進(jìn)行過一些技術(shù)改造，但是生產(chǎn)系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動(dòng)控制，生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)仍然依靠人工定時(shí)記錄，例如清水池水位、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間、耗電量等都是由值班人員定時(shí)記錄。經(jīng)過改造和擴(kuò)建，供水廠 目前的日供水能力在 萬立方米左右，仍然不能完全滿足用水需求。在用水高峰期時(shí)，清水池的水位達(dá)不到要求高度 ,管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水。供水廠原有的生產(chǎn)設(shè)備的控制方式比較落后，控制過程煩瑣，大部分需要人工進(jìn)行手動(dòng)操作，能耗高，而且不能保證供水壓力達(dá)到壓力標(biāo)準(zhǔn)。長期以來水廠各部門的管理人員采用傳統(tǒng)的人工管理模式，通過手工從事繁重的業(yè)務(wù)管理、各種日報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表的統(tǒng)計(jì)匯總等工作。 供水廠希望通過對(duì)原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平。由于 水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套取水和供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn) 管理水平的目的。系統(tǒng)對(duì)控制水位 的模糊 控制進(jìn)行研究。 實(shí)踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個(gè)水廠的整體管理水平，而且僅 節(jié)約用 2 電一項(xiàng)就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 作為高性能的調(diào)速傳動(dòng)，直流發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方法長期以來一直應(yīng)用廣泛。使異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。但是因?yàn)楦鞣N各樣的缺點(diǎn)沒有得到廣泛的應(yīng)用。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點(diǎn)，而且調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能相媲美。到 80 年代末， 交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù) 迅 速發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由 IGBT 或 GTR 模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動(dòng)電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并自動(dòng)適應(yīng)變負(fù)荷的條 件。現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是可節(jié)電40％～ 60％，節(jié)水 15％～ 30％ [1]。尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。恒壓 、恒水位 供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水 位 的變化自動(dòng) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定 和水位恒定 以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。 新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種 系列化的方向發(fā)展。 在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。 可編程序控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用 早期的可編 程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。 1969 年， 美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器。 70 年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能 大大增強(qiáng) 。在軟件方面， PLC 采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言， 除了保持原有的邏輯運(yùn)算等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。而且，為 了進(jìn)一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片 ，大大提高了 PLC 軟、硬件功能。據(jù)“美國市場信息”的世界 PLC 以及軟件市場報(bào)告稱， 1995 年全球 PLC 及其軟件的市場經(jīng)濟(jì)規(guī)模約 50 億美元[4]。 PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。 PLC 針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場信 號(hào)， 有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接。 3．采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個(gè)部件，包括 CPU、 電源 、 I/O 等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知 識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。 由于采用模 4 塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。 PLC在水工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)加氯、自動(dòng)加礬、水泵變頻調(diào)速、 SCADA 系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等 [7,8,9,10]。 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和模糊控制器的設(shè)計(jì)，大體為以下五項(xiàng)內(nèi)容： 1． 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，變頻器的發(fā)展史一直到廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無公害化發(fā)展；介紹了 SIEMENS 公司的產(chǎn)品系列史， PLC 與其它工 業(yè)裝置的比較： PLC與繼電器控制系統(tǒng)，與集散控制系統(tǒng)，與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。 2． 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計(jì) 主要是變頻器的構(gòu)成、控制方式和形式，控制方式有三種形式： V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制；變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。 3．系統(tǒng)硬 件設(shè)計(jì)（主電路、控制電路）； P LC 接線圖設(shè)計(jì)，包括輸出輸入上元件的分配及編號(hào)， PLC 模塊由 CPU226，兩塊數(shù)字?jǐn)U展模塊，一塊擴(kuò)展模塊所構(gòu)成。 5． 恒水位供水系統(tǒng)的 Fuzzy 控制器設(shè)計(jì)及 Simulink 仿真研究 主要介紹模糊控制的概念和特點(diǎn)以及模糊控制器的設(shè)計(jì)，并且運(yùn)用 MATLAB 進(jìn)行 Simulink 仿真研究 總之，在本次設(shè)計(jì)中，必須完成圖表：論文說明書、主電路圖、控制電路圖、 PLC接線圖、 PLC 程序結(jié)構(gòu)框圖、 PLC 程序設(shè)計(jì)梯形圖。 5 控 制電路整流電路 逆變電路直流中間電路交流電商用電源交流電頻率和電壓可調(diào)的交流電 圖 2— 1 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了 V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。 V/F控制簡單，通用性優(yōu)良。 矢量控制 矢量控制是在交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流的量和勵(lì)磁電流的量，并分別進(jìn)行任意控制。 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 一、水泵工況點(diǎn)的確定以及變化 [11,36] 水泵工作 點(diǎn)（工況點(diǎn)）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。 工作點(diǎn) A 是水泵運(yùn)行的理