【正文】 ay to construct the followup pressure water supply system. Based on the PLC technology and frequency converter, it provides a new satisfactory pressure control solution for the water supply system by exerting the high scanning accuracy and the great operation capabilities of S7300. This design is applied successfully in the reform of supplying water system in the school. The answer which satisfy the demands of water in the school。 交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體化的綜 合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換問題，同時又要處理信息的收集﹑交換和傳輸問題。目前交流變頻調(diào)速主要發(fā)展方向?yàn)椋? 。 。盡可能降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載的諧波分 量，減少對電網(wǎng)的公害和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動，實(shí)現(xiàn)清潔電能變換。緊湊型的變頻系統(tǒng)要求功率和控制元件具有高的集成度。均促進(jìn)了變頻裝置結(jié)構(gòu)小型化。提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量體積比得到進(jìn)一步提高。在工業(yè)生產(chǎn)中，能夠大大提高生產(chǎn)設(shè)備的工藝水平﹑加工精度和工作效率，大大減小生產(chǎn)機(jī)械的體積和質(zhì)量，減少金屬耗用量，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中占有十分重要的地位。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。用水量增加，就提高帶動水泵的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高流量；用水減少時，就減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，把流量降下來，又省電又省錢。構(gòu)思中，設(shè)想采用了變頻器、電機(jī)﹑壓力傳感器﹑液面?zhèn)鞲衅饕约翱刂凭€路組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。在采納指導(dǎo)老師的意見后，決定接受可編程控制器代替人力，由可編程控制器自動控制電機(jī)的開 /關(guān)。 第二部分論述恒壓閉環(huán)供水系統(tǒng)。 第三部分論述軟件硬件部分相關(guān)內(nèi)容 , 介紹 PLC 的相關(guān)知識。 第四部分對整個系統(tǒng)實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的問題提出系統(tǒng)維護(hù)和解決方案，深入地了解供水系統(tǒng)在實(shí)際使用中出現(xiàn)的問題。 變頻調(diào)速的概念 轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系 三相交流異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速分別為 pfn 11 60? （ 11） )1(60 1 spfn ?? （ 12） 式（ 12）中， n 表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速 , 1f 表示定子交流電源的頻率， p表示磁極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率， 1n 表示旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速。 保持 常數(shù)?11 fu 的控制方式 電動機(jī)繞組中的感應(yīng)電動勢的大小是無法從外部加以控制的。所以，變頻的同時必須變壓，這種控制方式稱為恒壓頻比的控制方式。 PID功能簡介 PID 調(diào)節(jié)屬于閉環(huán)控制，是過程控制中應(yīng)用得十分普遍的一種控制方式。在實(shí)行 PID 調(diào)節(jié)時必須至少有兩種控制信號： （ 1）目標(biāo)信號 通常也稱給定信號，是 與被控物理量的控制目標(biāo)對應(yīng)的信號，用 TX 表示。 PID 調(diào)節(jié)功能將隨時對 TX 與 FX 進(jìn)行比較，以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目的。 為了滿足用戶的需求，保證供水質(zhì)量，要求通過變頻器及其 PID調(diào)節(jié)功能使供水管網(wǎng)的水壓保持恒定。 反之，當(dāng)用戶的用水量減少時，使供水管網(wǎng)的水壓力上升，變頻器應(yīng)立即降低輸出頻率，使電動機(jī)減速，以減少水泵產(chǎn)生水壓的能力，保持供水管網(wǎng)水壓的恒定。所以，在恒定控制系統(tǒng)中， PS 的輸出信號 XF應(yīng)該始終無限接近于目標(biāo)信號 TX 。 令 ? ?FTPG XXKX ?? （ 15） 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 5 式（ 15）中， TX 稱為頻率給定信號； PK 稱 為放大倍數(shù)，也叫比例增益。顯然，因?yàn)?GX 能等于 0，所以， FX 能是無限接近于 TX 卻不能等于 TX 。為了減少靜差，應(yīng)盡量增大比例增益，但由于系統(tǒng)有慣性，因此， PK 太大了，當(dāng)XF 隨著用戶用水量的變化而變化時， ? ?FTPG XXKX ?? 有可能一下子增大（或減少）了許多，使變頻器的輸出頻率很容易超調(diào)， 于是又反過來調(diào)整，引起被控量忽大忽小，形成振蕩。但積分時間太長，又會發(fā)生當(dāng)用水量急劇變化時，被控量難以迅速恢復(fù)的情況。 恒壓 供水閉環(huán)系統(tǒng)的 PID 調(diào)節(jié)過程 圖 PID調(diào)節(jié)過程。在無偏差的情況下， 0??PID ；圖 所示是變頻器輸出頻率 Xf 的變化情況。 圖 恒壓供水的正常工況 a)流量 b)壓力 c)調(diào)節(jié)量 d)頻 率 圖 所示是流量過大或過小時的系統(tǒng)工況。 1. 流量過大 供水系統(tǒng)流量過大的工作情形如下： 0～ 1t 段：用水流量 Q增加，但變頻器的輸出頻率 Xf 尚未到達(dá)上限頻率 Hf ，系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運(yùn)行，由于變頻器內(nèi) PID 功能的調(diào)節(jié)作用，變頻器的供水流量能 夠隨時滿足用水流量的需求，供水系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，供水壓力也一直保持恒定； 1t ～ 2t 段：當(dāng)用水流量 Q 繼續(xù)增加到一定程度以后，系統(tǒng)將具有如下的工作特點(diǎn)： 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 7 （ 1） 變頻器的輸出頻率 Xf 已經(jīng)到達(dá)上限頻率 Hf ， 水泵的轉(zhuǎn)速不可能再升高； （ 2） 變頻器的供水流量滿足不了用水流量的需求，管網(wǎng)壓力 P（從而 FX ）將降低到下限壓力 LP 之下； （ 3） 變頻器的 PID 功能力圖增加變頻泵的供水流量，調(diào)節(jié)量 PID?不斷增加，超過了上限值 H? ； 2t ～ 3t 段：用水流量 Q不再增加，壓力 P（從而 FX ）也不再下降，但由于 FX 和目標(biāo)值 TX 之間始終存在偏差， PID 中的積分環(huán)節(jié)將不斷地積分，從而調(diào)節(jié)量 PID? 將繼續(xù)上升。在壓力（ FX ）上升至目標(biāo)壓力（ TX ）之前， PID 的調(diào)節(jié)量 PID? 仍為“ +”，變頻器的輸出頻率 Xf 仍為上限頻率。 變頻器的節(jié)能功能 降壓節(jié)能的原理 異步電動機(jī)在輕載運(yùn)行時，功率因數(shù) ?cos 與 效率 ? 都較低。結(jié)果是電動機(jī)的銅損增加，效率降低。 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 LNT 時，額定工作點(diǎn)為 N點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為 Nn 。如上述，這時的功率因數(shù)和效率都較低。kT ，起動轉(zhuǎn)矩減小為 39。Q 點(diǎn)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LGT 與有效轉(zhuǎn)矩 LET 十分接近，則功率因數(shù)和效率趨于最佳狀態(tài)，減小了電流；另一方面，電壓也下降了。 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載 如圖 所示： 圖 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載 a)低頻時的情形 b)低頻降壓時的情形 （ 1）在額定轉(zhuǎn)速時 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LNT 等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 MNT ，拖動系統(tǒng)在額定工作點(diǎn) N運(yùn)行； （ 2）當(dāng)電壓與頻率成正比地下降時，電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如曲線③所示。由圖知 LDT MEXT ，所以，功率因數(shù)和效率都很低。XE 點(diǎn)。 這時候，由于工作點(diǎn)下移至 39。LDn ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也略減小為 39。 徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng) 在供水管路中，水錘效應(yīng)具有很大的破壞作用，說明如下： （ 1）起動時的水錘效 應(yīng)：異步電動機(jī)在全壓起動時從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所需時間只有 。由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性：壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；反之，壓強(qiáng)過低，又會導(dǎo)致管子的癟塌。 （ 2）停機(jī)時的水錘效應(yīng)：如果讓水泵切斷電源，使之自由 停機(jī)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電機(jī)的慣性而使水泵急劇地停止。 （ 3）產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因：產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。水泵在直接起動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩是很大的，所以，加速過程很快。在停機(jī)過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小。水錘效應(yīng)的消除，無 疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。為此政府強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保，要求盡量節(jié)約能源，為可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。這一系統(tǒng)可以用于學(xué)校宿舍樓供水網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供水量，保證管網(wǎng)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變量控制供水方式，從而達(dá)到節(jié) 能節(jié)水的目的，滿足學(xué)校用水需要。 （ 2）電控自動狀態(tài)時， 4 臺水泵自動輪換變頻運(yùn)行，工作泵故障時備用泵自動投入，可轉(zhuǎn)換自動或人工手動開﹑停機(jī)。 （ 4）有設(shè)備工作﹑停機(jī)﹑報警指示。如 果 在一定 的 時間內(nèi)，壓力還是不足或過大，則通過變頻器 做 工頻 /變頻切換起動另一臺水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致 ，由此構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng) 。 變頻恒壓供水系統(tǒng)功能框圖如圖 所示。 動平滑，減少電機(jī)水泵的沖擊，延長了電機(jī)及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象。 系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動定時供水 ,徹底實(shí)現(xiàn)無人值守自動供水 .控制系統(tǒng)具有故障報警和顯示功能 ,并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換 ,應(yīng)急供水。 變頻恒壓供水設(shè)備不設(shè)樓頂水池，既減少建筑物的造價，又克服了水源二次污染，氣壓波動大，水泵啟動頻繁和建造水塔一次性投資大，施工周期長，費(fèi)用高等缺點(diǎn)。 本設(shè)備采用全自動控制，操作人員只需轉(zhuǎn)換電控柜開關(guān)，就可基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 13 以實(shí)現(xiàn)用戶所需工況，操作簡單。 類似地，變頻器控制信號電流函數(shù)關(guān)系為 ? ?? ? ? ?12m a x2 4164 PPIPPI Pf ?????? （ 22） 變頻恒壓供水控制方式比較和選擇 眾所周知，水泵消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可 達(dá) 20%～ 40%。往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻工作狀態(tài)的方式。基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 14 電路的可靠性和抗干擾 能力都不是很高。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。 （ 4）新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。同時，為了保證水壓信號反饋信號值的準(zhǔn)確﹑不失信，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋 信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單﹑方便。 通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成 4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PID 調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較，得出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力上，當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC 控制切換器進(jìn)行加泵。當(dāng)供水負(fù)載變化 時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨著變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 圖 為變頻恒壓供水系統(tǒng)。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。當(dāng)供水設(shè)備供電開始時，先啟動變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值，仍 不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器就基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 16 發(fā)出控制信號，啟動一臺工頻泵，啟動一號備用泵作為變頻泵，如此類推。液位傳感器提供蓄水池中水位超過最低限制時的停機(jī)信號，當(dāng)這一信號可編程控制器時，可編程控制器發(fā)出指令斷開所以工作水泵，保護(hù)水泵。由于帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供 水設(shè)備的成本。如果采用一個開關(guān)量輸入輸出接口的可編程控制器和一個 PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器差不多。就針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水的不足之處，該設(shè)計采用新型變頻器，這些變頻器將PID 調(diào)節(jié)器都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)。接觸器線圈 KM1 控制電動機(jī) M1，接觸器線圈 KM3 控制電動機(jī) M2，接觸器線圈 KM5控制電動機(jī) M3，接觸器線圈 KM7 控制電動機(jī) M4。 （ 2）變頻器控制 將變頻控制接通時，說明變頻器處于變頻工作狀態(tài)，燈 HL1 亮。如果 2 號泵滿頻時（ 50Hz） ， 2 號泵切換為工頻運(yùn)行， 1 號泵繼續(xù)工頻運(yùn)行，再由變頻器軟起動 3號泵，讓變頻器控制 3 號水泵變頻運(yùn)行。 供水高峰時若 4 臺泵同時運(yùn)行，即 4 號泵變頻， 1 號、 2 號、 3 號基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)