【正文】 。從目前情況看，變頻調(diào)速自動(dòng)供水技術(shù)可分為恒水壓控制和恒水流控制兩種方式。其優(yōu)點(diǎn)是能同時(shí)滿足用戶對(duì)流量和揚(yáng)程的不同要求。恒水流控制則強(qiáng)調(diào)對(duì)出口的水量進(jìn)行控制，對(duì)水壓指標(biāo)比較放松，其優(yōu)點(diǎn)是在滿足用戶對(duì)用水量的基本要求前提下，能最大限度節(jié)能。而高層用戶用水量大時(shí)又造成低層用戶水壓過高。因此，在本課題中采 用的控制方法是變頻調(diào)速恒壓控制技術(shù)。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將PTD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(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。2．通用變頻器+單片機(jī)+人機(jī)界面+壓力傳感器。3．通用變頻器+PLC+人機(jī)界面+壓力傳感器。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的比以往任何調(diào)速方法更加優(yōu)越的新技術(shù)，具有節(jié)能效果明顯、調(diào)速曲線平滑、調(diào)速過程簡(jiǎn)單、安全可靠、保護(hù)功能齊全、起動(dòng)性能優(yōu)越、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的任何場(chǎng)合，顯著的節(jié)能效果也給眾多的企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用，變頻器本身己非常成熟，使得變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性更加突出，傳動(dòng)效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。具有各種接口，能與計(jì)算機(jī)、可編程序控制器及自動(dòng)化儀表聯(lián)機(jī)，并具有遠(yuǎn)程控制的功能。采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對(duì)于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng),由PLC進(jìn)行邏輯控制,由變頻器進(jìn)行壓力凋節(jié)，通過PLC控制變頻與工頻切換,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即PLC，機(jī)器人，CAD/CAM）之一。 PLC的發(fā)展早期的PLC一般稱為可編程邏輯控制器。在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。這樣，使PLC的功能大大增強(qiáng)。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、各種特殊功能模塊。 PLC的未來趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化愈來愈高的需求，可編程控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其技術(shù)和產(chǎn)品日趨完善。2．模塊更豐富。4．通信功能增強(qiáng)。其硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高、兼容性強(qiáng)，并且軟件資源豐富，特別是有實(shí)際操作系統(tǒng)的支持，股對(duì)要求快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型復(fù)雜。但是，使用工業(yè)控制及控制生產(chǎn)工藝過程，要求開發(fā)人員有較高的計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)和微機(jī)軟件編程的能力。硬件結(jié)構(gòu)專用性強(qiáng)、通用性差，很多語言編程易學(xué)，便于推廣應(yīng)用。從革命性方面看，PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)上采用整體密封或擂件組合器，并采取了一系列抗干擾措施，具有很高的可靠性。在整體結(jié)構(gòu)上要完全適應(yīng)現(xiàn)成生產(chǎn)環(huán)境，還要靠大量工作。一般的編程人員很難考慮周全。盡管現(xiàn)代PLC在模擬信號(hào)處理、數(shù)值運(yùn)算、實(shí)時(shí)控制等方面有了很大提高，但在模擬復(fù)雜、計(jì)算量大且較難、實(shí)時(shí)性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制機(jī)更能發(fā)揮其長處。 PLC系統(tǒng)介紹 可編程序控制器（PLC）的概念可編程控制器(Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。 PLC基本組成結(jié)構(gòu)雖然各種PLC產(chǎn)品的形式和功能特點(diǎn)各不相同，但他們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和組成上基本是相同的，一般由CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)及其他可選部件四大部分組成，如圖21所示。其可選部件包括編程器、外存儲(chǔ)器、模擬I/O盤、通信接口、擴(kuò)展接口以及測(cè)試設(shè)備等，主要用于系統(tǒng)的編程組態(tài)、程序存儲(chǔ)、通信聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的測(cè)試與維護(hù)等，是PLC的輔助組成部分，在PLC正常運(yùn)行期間這些部件并不起作用，它們主要用于系統(tǒng)的開發(fā)、安裝、調(diào)試和維護(hù)。 PLC技術(shù)特點(diǎn)可編程序控制器是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)，其出現(xiàn)后就受到普遍重視，發(fā)展也十分迅速，在工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中占有了極其重要的地位，最重要的原因是它與現(xiàn)有的各種控制方式相比較，具有如下獨(dú)一無二的特點(diǎn)：1．可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時(shí)間高達(dá)30萬小時(shí)。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。輸入/輸出系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)輸入/輸出信號(hào)其他可選部件系統(tǒng)總線CPU系統(tǒng)程序用戶程序存儲(chǔ)器圖21 PLC的一般組成2．配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上PLC通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。4．功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高現(xiàn)代PLC內(nèi)部有成百上千的內(nèi)部繼電器、幾十個(gè)特殊繼電器、許多數(shù)據(jù)寄存器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，還開發(fā)了幾十到幾百的功能指令，所以它不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順控等功能，還具有較強(qiáng)的數(shù)值處理功能、模擬量輸入輸出處理功能、通信聯(lián)網(wǎng)功能等。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，它具有很高的性能價(jià)格比。由于體積小很容易裝入機(jī)械內(nèi)部，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制設(shè)備。如繼電器邏輯、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、觸發(fā)器等。與通常的物理繼電器相比，其體積小、功耗低、無觸點(diǎn)、速度快、壽命長、有無數(shù)多個(gè)常開常閉接點(diǎn)供程序使用，在使用中不必考慮接點(diǎn)的容量。如圖32所示。為了使PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是不斷反復(fù)的重復(fù)執(zhí)行，直到PLC停機(jī)或者切換到STOP工作狀態(tài)。要使程序巡回掃描一次的時(shí)間短，首先與每條指令的執(zhí)行時(shí)間長短有關(guān)，其次與程序中所用指令類型和包含指令條數(shù)的多少有關(guān)。后者則和被控系統(tǒng)的復(fù)雜程度，以及程序編制者的水平有關(guān)。因此，這部分占用的掃描時(shí)間不僅對(duì)不同的系統(tǒng)其長短不同，而且對(duì)同一系統(tǒng)的不同時(shí)間也占用不同的掃描時(shí)間。為了保證生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須做到最長的掃描周期小于系統(tǒng)電器改變狀態(tài)的時(shí)間。可編程序控制器掃描工作方式：計(jì)算機(jī)用于控制、運(yùn)行程序時(shí)常采用掃描工作方式和中斷工作方式。在有的場(chǎng)合也插入中斷方式，允許中斷正在掃描運(yùn)行的程序。整個(gè)工作過程可分為以下階段：每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。如接收由編程器送圖22 PLC的基本工作原理來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，則要把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯(cuò)信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。PLC掃描工作的第一步是采樣階段，PLC首先掃描所有輸入端子，并將個(gè)輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對(duì)應(yīng)的輸入映像寄存器中。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時(shí)輸入影響寄存器與外界隔離，無論輸入信號(hào)如何變化，其內(nèi)容保持不變，知道下一個(gè)掃描周期的輸入采樣階段，才能重新寫入輸入端的新內(nèi)容。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。第三步輸出刷新，在所有指令執(zhí)行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態(tài)（接通/斷開）在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載PLC周期性地循環(huán)執(zhí)行上述步驟，稱為掃描周期。掃描周期的大小對(duì)系統(tǒng)性能有一定影響，例如對(duì)I/O響應(yīng)時(shí)間，定時(shí)器精度等都有影響。PLC采用對(duì)I/O操作、數(shù)據(jù)處理等的循環(huán)掃描工作方式。1．自診斷是指在PLC掃描用戶程序之前先執(zhí)行故障子診斷程序，主要執(zhí)行I/O部分、存儲(chǔ)器和CPU等，自診斷正常則繼續(xù)向下掃描；2．與編程器或計(jì)算機(jī)通信是指PLC檢查編程器或計(jì)算機(jī)等是否有通信的請(qǐng)求，并接收發(fā)出來的程序、指令和各種數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)和信息顯示出來。3．CPU對(duì)各輸入端掃描并將輸入端的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的輸入采樣過程。4．當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，PLC集中將輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)通過輸出模塊單元轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出狀態(tài)的刷新。2．掃描速度：以執(zhí)行1000步指令所需時(shí)間來衡量，單位為毫秒/千步。4．指令條數(shù)：衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。5．內(nèi)部寄存器：存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果、數(shù)據(jù)等，是衡量PLC硬件功能強(qiáng)弱的一個(gè)指標(biāo)。 PLC的設(shè)計(jì)步驟PLC的工作方式和通用微機(jī)不完全一樣，因此用PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)與微機(jī)的控制系統(tǒng)的開發(fā)過程也不完全一樣。1．確定控制對(duì)象及控制范圍 詳細(xì)了解被控對(duì)象的控制要求，確定必須完成的動(dòng)作及完成的順序，歸納出工作循環(huán)和狀態(tài)流程圖。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，確定適當(dāng)?shù)牧粲杏嗔慷焕速M(fèi)資源的機(jī)型（小、中、大形機(jī)器）。 3．硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)所選用的PLC產(chǎn)品，了解其使用的性能。 4．軟件設(shè)計(jì) （1）在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)可以同時(shí)著手軟件的設(shè)計(jì)工作。在程序設(shè)計(jì)的時(shí)候建議將使用的軟繼電器（內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）列表，標(biāo)明用途以便于程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)，檢修時(shí)候查閱。將設(shè)計(jì)好的程序通過程序編輯工具下載到PLC控制單元中。 5．現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 在初調(diào)合格的情況下，將PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。在保證整個(gè)硬件連接的正確無誤的情況下即可送電。反復(fù)調(diào)試消除可能出現(xiàn)的各種問題。應(yīng)保持足夠長的運(yùn)行時(shí)間使問題充分暴露并加以糾正。 軟件PLC軟件PLC（簡(jiǎn)稱軟PLC）是相對(duì)于硬件PLC（簡(jiǎn)稱硬PLC）而言的。CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個(gè)CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接受并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時(shí)，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯(cuò)誤等。 PLC程控系統(tǒng)PLC程控是通過可編程序控制器對(duì)供水系統(tǒng)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，其外部設(shè)備與強(qiáng)電集控基本相同，室內(nèi)設(shè)備比強(qiáng)電集控多了PC主機(jī)及配套設(shè)備。所以不僅能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電集控的所有控制要求，而且還可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電集控很難實(shí)現(xiàn)的一些較高的控制要求。況且它操作簡(jiǎn)便（只要通過鍵盤或開關(guān)、按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種控制要求），不容易引起誤操作，從而大大提高了供水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。細(xì)致闡述了PLC在現(xiàn)在工業(yè)上的優(yōu)勢(shì)，并解答了PLC的構(gòu)成原理、運(yùn)行方式和特點(diǎn)。第3章 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計(jì) 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及選擇轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，供水質(zhì)量好、能耗低、效率高，并可延長設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。磁極對(duì)數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 變頻調(diào)速1．變頻調(diào)速機(jī)械特性通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡(jiǎn)稱為VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。頻率f從額定值fN往下調(diào)時(shí)，由電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖3—1所示，圖中fNf1f2f3f4。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。(2)非線形:用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?水錘等因素的影響,同時(shí)又由于水泵的一些固有特性,使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比,因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。(4)時(shí)變性:在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,由于有定量泵的加入控制,而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的,同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù),使其不確定性地發(fā)生變化,因此可以認(rèn)為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。(6)可擴(kuò)充性:水泵的電氣控制柜,具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口,能與控制信號(hào)或控制軟件相連,能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送,以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速,減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩,從而減小葉片承受的應(yīng)力,減小軸承的磨損,使水泵的工作壽命大大延長。4)減少了起動(dòng)電流,也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,提高了自身系統(tǒng)的可靠性。2．設(shè)置一臺(tái)小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水。4．系統(tǒng)能自動(dòng)可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動(dòng)功能。6．具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能。 供水系統(tǒng)的流量類型確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利的用水需求，同時(shí)還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性，及其它技術(shù)要求。不同季節(jié)、不同月份，用戶用水量流量的變化類型也會(huì)改變。間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱恪?總體設(shè)計(jì)方案確定1．調(diào)速方式泵站供水系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)市區(qū)用戶的用水，