【正文】 電機(jī)的調(diào)速原理進(jìn)行分析。設(shè)計(jì)一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)。(3)重點(diǎn)闡述變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的選擇及PLC程序的設(shè)計(jì)、變頻器功能預(yù)置等。 系統(tǒng)概述本設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組，它們一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有2個(gè)貯水池，分別是供水水池和排污水池，五臺(tái)水泵，但是生活水泵和消防水泵中同時(shí)各只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行。恒壓供水系統(tǒng)具有投資少．自動(dòng)化程度高，保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)便，節(jié)水節(jié)電效果顯著，尤其對(duì)水質(zhì)不構(gòu)成二次污染，其優(yōu)異的性能價(jià)格比是其他任何供水設(shè)備無(wú)法比擬的。畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：（1）掌握水利工程對(duì)控制、通信等的需求，提出綜合自動(dòng)化系統(tǒng)方案。（3）完成軟件需求的系統(tǒng)分析。（5）繪制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)原理圖、電氣控制原理圖、軟件流程圖（6）按期完成畢業(yè)論文的撰寫（7）充分準(zhǔn)備，順利完成畢業(yè)答辯 主要技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)① 兩臺(tái)生活用水泵： 15KW交流電動(dòng)機(jī)，一備一用，變頻調(diào)速；② 兩臺(tái)消防用水泵： 37KW交流電動(dòng)機(jī)，一備一用，變頻調(diào)速；1臺(tái)排污泵：，工頻運(yùn)行。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）實(shí)現(xiàn)生活用水的變頻調(diào)速自動(dòng)恒壓控制，壓力值連續(xù)可調(diào)。兩臺(tái)生活用水泵組采用一備一用方式運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)水泵的定式自動(dòng)切換和手動(dòng)切換；實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)水泵的自動(dòng)并泵和切除功能。即兩臺(tái)生活用水泵組和兩臺(tái)高壓消防用水泵組（一備一用）之間的切換。（3）實(shí)現(xiàn)各水泵的一用一備運(yùn)行方式的自動(dòng)控制、本地手動(dòng)控制的選擇和控制；各臺(tái)水泵的安全啟動(dòng)控制，泵的出口蝶閥控制；故障報(bào)警功能。（4）采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠。（5）實(shí)現(xiàn)污水池的水位檢測(cè)和手動(dòng)、自動(dòng)排污。第3章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 方案選擇恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。其輸出接口的擴(kuò)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(chǎng)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(qiáng)；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(shí)由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。通過(guò)對(duì)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)。 系統(tǒng)原理與組成對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。流量的大小取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？梢?jiàn)，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在流體壓力的變化上。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(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，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)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(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)都無(wú)法滿足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。管網(wǎng)水壓信號(hào)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(hào)。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。此信號(hào)來(lái)自安裝于水池中的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)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(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計(jì)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(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)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(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。： 恒壓供水系統(tǒng)通過(guò)安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測(cè)量參考點(diǎn)的水壓，檢測(cè)管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號(hào)，此檢測(cè)信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。 系統(tǒng)原理分析水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： () 式中：f表示電源頻率，p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)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(jí)調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)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(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗口，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率廠成正比。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。因此，為了使電動(dòng)機(jī)能保持較好的調(diào)速性能，要求在調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，改變定子電壓，以維持主磁通不變，或者保持電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力不變口。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，將促進(jìn)變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(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(kāi)度下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線。由于閥門開(kāi)度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。 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(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)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(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開(kāi)度保持不變，是通過(guò)改變水的動(dòng)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(shí)，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。當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚(yáng)程特性曲線不變。當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。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。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)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(gè)新的穩(wěn)定值。(3) 如果用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)：圖中共有五個(gè)水泵，其中2水泵為生活用水泵，4為消防用水泵，5為排污泵，五臺(tái)電機(jī)分別為MMM3，M4，M5它們分別帶動(dòng)水泵5。由于1泵和2泵為一備一用，所以二臺(tái)水泵之間必須互鎖，也就是說(shuō)只有當(dāng)前一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障后，才啟用備用泵進(jìn)行工作，以提供供水正常。以保證一臺(tái)消防水泵出現(xiàn)故障后消防用水的正常。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 器件選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過(guò)頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的U/f控制變頻器。它是用于三相交流電動(dòng)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(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。另外選擇西門子的變頻器可以通過(guò)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。該系列變頻器具有如下特點(diǎn)：(1)由微處理器控制，并采用IGBT作為功率組件：運(yùn)行可靠、功能多樣；(2)脈沖調(diào)制頻率可調(diào)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲低；(3)牢固的EMC設(shè)計(jì)；(4)具有多個(gè)繼電器輸出；(5)具有多個(gè)模擬量輸出；(6)多個(gè)個(gè)模擬量輸入：(7)BiCo(二進(jìn)制互聯(lián))技術(shù)；： E320變頻器基本配線圖水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)機(jī)額定功率為15KW、37KW。而消防用水的供水壓力控制在12 kg/㎝178。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過(guò)靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。壓力變送器用于檢測(cè)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(hào)，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過(guò)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(jì)中選用普通壓力表Y100和XMT1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送?？紤]到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測(cè)和控制。綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測(cè)量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號(hào)：兩線制420mADC精度等級(jí)：。接觸器具有強(qiáng)大的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、大容量的主觸頭及迅速熄滅電弧的能力。與保護(hù)電器組合可構(gòu)成各種電磁啟動(dòng)器，用于電動(dòng)機(jī)的控制及保護(hù)。它利用主接點(diǎn)來(lái)開(kāi)閉電路，用輔助接點(diǎn)來(lái)執(zhí)行控制指令。由銀鎢合金制成，具有良好的導(dǎo)電性和耐高溫?zé)g性。電機(jī)所選用的接觸器的主觸頭在主電路中，所以主觸頭通斷負(fù)載額定電壓為被控制線路額定電壓AC380V，線圈在控制回路中，線圈電壓取AC220V。數(shù)字量擴(kuò)展模塊均為直流接觸器，因此它們的型號(hào)為：編號(hào)接觸器型號(hào)主觸點(diǎn)額定電壓/V主觸點(diǎn)類型YV1CZ040/20440常閉YV2CZ040/20440常閉YV3CZ040/20440常閉H1CZ040/20440常開(kāi)H2CZ040/20440常開(kāi)（2）斷路器選型 低壓斷路器也稱作自動(dòng)開(kāi)關(guān)或空氣開(kāi)關(guān)，是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的開(kāi)關(guān)電器和保護(hù)電器，它集控制和多種保護(hù)功能于一身。 低壓斷路器的選擇要滿足如下幾點(diǎn)：① 額定電流和額定電壓應(yīng)大于或等于線路、設(shè)備的正常工作電壓和工作電流。③ 欠電壓脫扣器的額定電壓應(yīng)等于線路的額定電壓。對(duì)于單臺(tái)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，可按下式計(jì)算 Iz ≥ kIq () 式中，k為安全系數(shù)，~；Iq為電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。根據(jù)選型原則，選用NZMB1A160斷路器。熔斷器的選擇包括熔斷器類型的選擇和熔體額定電流的選擇兩部分。（4）主令電器選型控制按鈕簡(jiǎn)稱按鈕，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且使用廣泛的手動(dòng)電器，在控制電路中用于手動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)以控制接觸器、繼電器等。行程開(kāi)關(guān)選用LXZ103Z/W。（6）熱繼電器選型熱繼電器主要是用于電氣設(shè)備（主要是電動(dòng)機(jī)）的過(guò)負(fù)荷保護(hù)。三相異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，常會(huì)遇到因電氣或機(jī)械原因等引起的過(guò)電流（過(guò)載和斷相）現(xiàn)象。常用的電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置種類很多，使用最多、最普遍的是雙金屬片式熱繼電器。主要有工作電壓和電流，吸合電壓和電流，釋放電壓和電流等。①返回系數(shù) ②儲(chǔ)備系數(shù) ③響應(yīng)時(shí)間。包括整定值和靈敏度?？梢赃x擇。每一個(gè)CPU模塊都有一個(gè)DC 24V傳感器電源，它為本機(jī)的輸入點(diǎn)或擴(kuò)展模塊的繼電器線圈提供電源，如果要求的負(fù)載電流大于該電源的額定值，應(yīng)增加一個(gè)DC 24V電源為擴(kuò)展模塊供電。也可以同時(shí)向其它負(fù)載提供24 V供電，如傳感器和驅(qū)動(dòng)等感性,容性負(fù)載。靈活的安裝方式和緊湊的設(shè)計(jì)節(jié)約安裝空間，可廣泛應(yīng)用于小型的OEM 設(shè)備控制系統(tǒng)，配電箱或開(kāi)關(guān)柜中。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。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB6控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系