【正文】 、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開發(fā)人員不必依靠某種具體的計算機語言，只需通過可視化的組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控程序設(shè)計，降低了監(jiān)控程序開發(fā)的難度。同時，支持的硬件類型 也十分廣泛 [1]。工控組態(tài)軟件的功能 包括數(shù)據(jù)庫生成、歷史庫生成、圖形生成、報表生成、順序控制功能、連續(xù)調(diào)節(jié)功能。例如： Intouch、 Fix、 Citech、 WinCC、Controx（開物）、 Force control（力控）、組態(tài)王。對于一、二層是商業(yè)群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前較多采用此種供水方案。主水泵一般有三臺，二開一備自動切換，副泵一般為一小流量泵，夜間用水量小時主泵自動切換到副泵，以維持系統(tǒng)壓力基本不變。首先恒壓變頻供水保證出水壓力不變，根據(jù)用水量大小進(jìn)行變頻供水，既節(jié)約電能，又保證水泵軟啟動（對電網(wǎng)電壓沖擊不大），延長了水泵壽命。 （ 2）水池－水泵－高位水箱－用水點 此方式也是集中供水。一般也需要設(shè)計有一座地下水池，通過兩臺水泵（一用一備）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水點。 （ 3）單元水箱－單元增壓泵－單元高位水箱－各單位用水點 此方式已簡化為單元總水表進(jìn)水。由于有屋頂水箱，高水位時停泵，低水位時啟泵，這 樣，水泵也有了停息時間，既省電又不至于一停電就停泵無水供應(yīng)，用水有了保障，社會效益較好。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，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械或生產(chǎn)過程。 ” PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺 PLC是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。 20 世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 20 世紀(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 目前，PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC， S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 20xx 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點如下 [6]： (1) 功能強大。 本課題的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用 PLC 和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè)計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個系 統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID 運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計 。 計算機控制技術(shù)課程答辯論文 7 第 2 章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案 確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調(diào)速原理 首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理 水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f表示電源頻率， p表示電動機極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。f— 定子供電頻率 。p— 電機極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機定子的供電頻率ｆ 1,就可平滑改變電機轉(zhuǎn)速 .對于異步電動機的變頻傳動 ,為了避免電機過磁飽和 ,同時抑制啟動電流 ,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進(jìn) 行安全運轉(zhuǎn) ,在改變頻率的同時 ,對定子電壓也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié) .逆變器主回路把三相 50Ｈｚ 交流電整流濾波為直流 ,再通過ＰＷＭ脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管 ,把直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，由此可實現(xiàn)變頻調(diào)速。由流體力學(xué)的原理可得下列表達(dá)式 : Q1/Q2=n1/n2。 P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q代表流量； H 代表揚程（水壓）； P代表 軸功率； n 代表轉(zhuǎn)速），當(dāng)流量減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，其電機輸出功率則大幅度下降。 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，計算機控制技術(shù)課程答辯論文 8 因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。下面重點分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點。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。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。變頻調(diào)速恒壓供水 系統(tǒng) 通過實時檢測供水主管出口壓力，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較 ,經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運算處理后 ,在線自動調(diào)節(jié)變頻器 ,控制泵的轉(zhuǎn)速隨壓力變化而變化 ,最終達(dá)到主管出口壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上的目的。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)。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。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)。在這一計算機控制技術(shù)課程答辯論文 9 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。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)恒壓供水的。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。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。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)。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。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。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)。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。此時水泵輸出功率正比于 H0 Q2，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。 計算機控制技術(shù)課程答辯論文 11 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、水泵機組以及低壓電器組成。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。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。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。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)。同時由于PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 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)。 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： 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。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。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。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。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 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。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。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)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖：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 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)。 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)。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。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。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。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)計算機控制技術(shù)課程答辯論文 15 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。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機運行的下限頻率。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機組切換的上下限頻率。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。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