【正文】 氣公司和成都希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專用變頻器(~22kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)?？梢钥闯?，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。 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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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，2004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(jī)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。2 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(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： () 式中：f表示電源頻率，p表示電動機(jī)極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗[7]，且成本高而影響它的推廣價值。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運行性能惡化。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點。 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線當(dāng)用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。當(dāng)用調(diào)速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。(2) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。在硬件設(shè)計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，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)場調(diào)試方便。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。(2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。(3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上[10]。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值。(3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運行)，同時變頻泵M1做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。(4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是0HZ。因為當(dāng)水泵機(jī)組運行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機(jī)一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ左右。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時，實際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。在極端的情況下，運行機(jī)組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機(jī)組停掉。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。所以，在實際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。： 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其生產(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（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是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7200型。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機(jī)，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸入。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。本系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。它是用于三相交流電動機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。快速電流限制實現(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應(yīng)特性，低頻時也可以輸出大力矩。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用3臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率75KW）。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~5V或4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通壓力表Y100和XMT1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。 液位變送器選型考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。綜合以上因素：本設(shè)計選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號：兩線制4~20mADC精度等級：。接觸器KMKMKM5分別控制MMM3的工頻運行；接觸器KMKMKM6分別控制MMM3的變頻運行；FRFRFR3分別為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼