【正文】 .. 25 結(jié) 論 ................................................................................................................................ 28 致 謝 .................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 目前最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用到供水領(lǐng)域，將成為供水系統(tǒng)的新發(fā)展方向。 國內(nèi)外研究概況 高層樓宇恒壓供水控 制系統(tǒng)的發(fā)展得益于 變頻 調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。在初期，由于國外生產(chǎn)的 變頻 器的功能主要局限在頻率控制、正反轉(zhuǎn)控制、升降速控制、起制動(dòng)控制、變壓 變頻 比控制及其它保護(hù)功能。直至 1968年，丹佛斯公司（丹麥 ）發(fā)明并首家生產(chǎn)了面向多臺(tái)設(shè)備的 變頻 器之后， 變頻 技術(shù)的歷史性革新發(fā)展及 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)體現(xiàn)出來的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果才被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可。像ABB集團(tuán)（瑞士）推出了 HVAC恒壓供水基板，有“ 變頻 泵固定方式”，“ 變頻 泵循環(huán)方式”雙模式。因此，在實(shí)際使用時(shí)其范圍依然受到諸多的限制。從系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、穩(wěn)定性、抗干擾性以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來看，系統(tǒng)依然存在很多缺陷，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到用戶的要求。 即使目前變頻調(diào)速還存在諸多短處，變頻 調(diào)速依然是目前優(yōu)于以往任何一種 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 調(diào)速方式 (如調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變極 調(diào)速等 )的控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速已成為當(dāng)今世界上一項(xiàng)性能最好、效益最高、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。 恒壓供水工藝圖 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(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 恒壓供水工藝圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 3 2 高層樓宇恒壓供水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、 PLC、壓力變送器和終端水泵機(jī)組組成 ，形成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，包括一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵，變頻泵通過變頻器發(fā)出控制信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使水量穩(wěn)定在可控范圍內(nèi)；工頻泵只有啟停功能，當(dāng)用戶用水量很大時(shí)（變頻泵已經(jīng)達(dá)到額定功率，但仍無法滿足用戶需求），工頻泵開始投入工作。管網(wǎng)水壓信號(hào)檢測(cè)的是用戶管網(wǎng)的水壓值，他是整個(gè)系統(tǒng)的主要反饋信號(hào)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上下限壓力進(jìn)行檢測(cè)，電接點(diǎn)壓力表就能很好的完成這一任務(wù)，檢測(cè)結(jié)果通過數(shù)字量傳給 PLC 進(jìn)行檢測(cè)；水池水位信號(hào)是檢測(cè)水源的充足性。液位傳感器通常安裝于水池中；報(bào)警信號(hào) 是當(dāng)工作組機(jī)構(gòu)運(yùn)行有錯(cuò)誤時(shí)輸出信號(hào)， 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 高層樓宇恒壓供水控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制以此保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。 PLC 是變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的最核心部件。 根據(jù)實(shí)時(shí)用水情況的不同，變頻器可以有兩種工作方式：變頻固定式和變頻循環(huán) 式。在工作之前須確定好恒速泵，本設(shè)計(jì)中采用后者。由于本系統(tǒng)適用范圍廣泛，所以為了保證系統(tǒng)能 夠安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，系統(tǒng)必須具有對(duì)各種警報(bào)量的檢測(cè)功能，檢測(cè)量會(huì)直接送至 PLC，并由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。設(shè)定值的表現(xiàn)方式可以是常數(shù)，也可以是時(shí)間分段函數(shù)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 ： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 制系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)的壓力變送器安裝于用戶供水管道上，并實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓，以 4— 20mA 的電信號(hào)傳送至 PLC，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。 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，首先變頻器會(huì)啟動(dòng)變頻泵 M1，根據(jù)比較壓力變送器測(cè)得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml的轉(zhuǎn)速。 (2) 當(dāng)用水量增加導(dǎo)致管網(wǎng)水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)會(huì)減小，偏差變大， PLC 的輸出信號(hào)變大，變頻器的將增大輸出頻率，從而使水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水 泵的轉(zhuǎn)速將相對(duì)穩(wěn)定在一個(gè)轉(zhuǎn)速值。 (3) 當(dāng)用水量持續(xù)增加，水泵機(jī)組的工作頻率已達(dá)到 50Hz，實(shí)際水壓仍未達(dá)到實(shí)際設(shè)定壓力值，并且增加水泵的條件也已經(jīng)滿足 (在下節(jié)有詳細(xì)闡述 )時(shí)，在處于變頻循環(huán)式的工作模式下，系統(tǒng)的 PLC 自動(dòng)控制水泵，使 M2 進(jìn)行變速運(yùn)行，同時(shí)變頻泵 M1 轉(zhuǎn)換為工頻泵運(yùn)行，系統(tǒng)仍然處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，直至管網(wǎng)水壓與供給水壓趨于平衡。如果供水量持續(xù)增加，變頻器的輸出頻率也已經(jīng)達(dá)到頻率的最高上限 50Hz，但壓力卻仍沒有達(dá)到初始設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)的終端就會(huì)傳送警報(bào)信號(hào)，主機(jī)發(fā)出水壓超限報(bào)警，此時(shí)供水系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的最大負(fù)荷。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另 一臺(tái)工頻泵 M3關(guān)掉。那么怎么才能使系統(tǒng)既能有效的工作在額定供水壓力范圍內(nèi)，又能避免上訴情況的出現(xiàn)，同時(shí)又使機(jī)組不過于頻繁的切換呢 ? 由于我國電網(wǎng)的固定傳輸頻率是 50HZ，因而變頻器和電機(jī)工作頻率受到限制，因 此 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。在實(shí)際生產(chǎn)生活應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ 的。在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)頻率就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。具體的頻率與系統(tǒng)的使用場(chǎng)合和水泵的基本特性等因素有關(guān)，一般 使用情況下是在 20HZ 左右。 當(dāng)水泵機(jī)組的輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力會(huì)趨于穩(wěn)定在某一壓力值。假定在極端情況下，系統(tǒng)剛增加了一組水泵機(jī)組，而實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，新增加的水泵機(jī)處于頻率下限運(yùn)行，并且完全 滿足了系統(tǒng)關(guān)停機(jī)組的條件，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)做出關(guān)停一組水泵機(jī)組的指令。所以在系統(tǒng)構(gòu)建之初就要考慮相關(guān)的解決方案，一旦出現(xiàn)此情況系統(tǒng)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，水泵機(jī)組的使用壽命也會(huì)大大縮短，頻繁使用的閥門和水泵等相關(guān)器件也會(huì)很快磨損，造成設(shè)備維護(hù)成本的上升。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對(duì)上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，它需要完成很多任務(wù)，如：輸入號(hào)的采集、輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)、對(duì)外的數(shù)據(jù)交換等。由于目前世界上專業(yè)應(yīng)用于恒 壓供水控制系統(tǒng)的控制設(shè)備相對(duì)較少，因此決定選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 SIEMENS公司的產(chǎn)品可擴(kuò)展性好，可靠性高，有豐富的通信指令，通信協(xié)議簡(jiǎn)單；工控計(jì)算機(jī)與 PLC 建立連接后，控制系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制。在實(shí)際中由于還有模擬量輸入，所以需要模擬 量輸入點(diǎn)和模擬量輸出點(diǎn)各 1 個(gè)。此模塊由 4個(gè)模擬輸入 (AIW)， 1個(gè)模擬輸出 (AQW)信號(hào)總共 5個(gè)通道組成。EM235 模塊還可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出信號(hào)，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，它的拓展性和實(shí)用性還可以為系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)提供有效的硬件支持。接觸器 KM KMKM5 分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M MM3 的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 為熱繼電保護(hù)器，分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)；QS QS QS QS4為隔離開關(guān)； FU 為熔斷器，用來保護(hù)主電路。因此 在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器與變頻器之間斷開，工頻運(yùn)行的接觸器與隔離開關(guān)之間閉合。在工作狀態(tài)下，變頻和工頻不可能同時(shí)接通，二者只可以有一種工作狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，接觸器的觸點(diǎn)會(huì)自動(dòng)斷開。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)負(fù)載的運(yùn)行情況，主回路的電流大 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11 小將通過 電流互感器和變送器測(cè)得的信號(hào)以 4~20mA 電流信號(hào)實(shí)時(shí)傳送至上位機(jī)。系統(tǒng)開始初始運(yùn)行時(shí)，必須先觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，確保轉(zhuǎn)向正常。在系統(tǒng)進(jìn)行啟停操作時(shí)，主電路不能被直接斷開 (如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開 )，而必須進(jìn)行軟啟動(dòng)或軟停止，這可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng) 的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。本系統(tǒng)采用西門子公司 S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越，非常適合小型控制系統(tǒng)。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，通過按鈕 SB1~SB6 來實(shí)現(xiàn)三臺(tái)水泵的啟 /停功能；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在已經(jīng)寫好了的 PLC 程序控制下自動(dòng)運(yùn)行。如果變頻器想進(jìn)行復(fù)頻控制，只需要通過中間繼電器的觸點(diǎn)即可。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 12 圖 恒壓供水控制系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC各 I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O端口分配中將詳細(xì)介紹。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。只有當(dāng) SB2 按下時(shí)才會(huì)切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。 （ 2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。 輸出 1水泵工頻運(yùn)行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈 HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基 于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。 (2) 在供水量小的情況下，如果同一臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換至下一臺(tái)水泵，此舉就是通常所說的“倒泵功能”，這是為了避免同一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的使用壽命下降。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先 停、先停先啟原則。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。 表 I/O地址編號(hào) 名 稱 代 碼 地址編號(hào) 輸入信號(hào) 供水模式信號(hào) (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號(hào) SLHL 變頻器報(bào)警信號(hào) SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸 出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信號(hào) 1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器