【正文】 附錄 B： PLC 外圍接線圖 ........................................................................................ 54 附錄 C PLC 梯形圖 ................................................................................................. 55 1 第一章 緒論 引言 水是人類最寶貴的資源，是人類賴以生存的基本條件，也是國民經(jīng)濟的生命線。 伴隨著住房政策改革的不斷深入，城市中各種類型小區(qū)建設(shè)發(fā)展非常迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。日常的生產(chǎn)生活用水需求通常是隨時間變化的，因季節(jié)、晝夜相差很大，因此用水和供水的不平衡主要 表現(xiàn)為在用水高峰期，水的供應(yīng)量往往低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低谷期，水的供給量往往高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，這將會造成能量的浪費，同時有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。而變頻恒壓供水系統(tǒng)的出現(xiàn)使這些問題迎刃而解。下面對幾種供水方式進行介紹 (1) 一臺恒速泵直接供水系統(tǒng)：這種供水方式下，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶。 (2) 恒速泵 +水塔的供水方式：這種方式是水泵首先向水塔供水，然后由水塔向用戶供水。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠期的需要，而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而 下降，同時還存在一些能量損失和二次污染問題。是利用壓差和來水管粗，出水管細的變徑工藝實現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不健全，再加上該供水方式會出現(xiàn)有壓無量 (流量 )的現(xiàn)象，無法滿足高層供水的需要。 相對于水塔供水方式，高位水箱供水方式占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但其必然提高建筑物的總體造價，且影響設(shè)計風(fēng)格對，同時水箱受到建 筑物的限制，容積不能太大，所以供水的范圍必然較小。 (5) 恒速泵十氣壓罐供水方式 ：這種方式是利用封閉的氣壓罐替代高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力以控制泵的開、停。 以上幾種供水方式都曾經(jīng)在一定歷史階段和某些生產(chǎn)生活領(lǐng)域發(fā)揮了舉足輕重的作用，但是，隨著人們對供水質(zhì)量和供水系 統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，以上供水方式顯示出越來越多的弊病，再加上目前能源緊缺，供水方式必將朝著高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展 。變頻恒壓供水系統(tǒng)必將在將來的生產(chǎn)生活中成為新興主流供水方式 [2]。在早期，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時均采用一臺變頻器帶動一臺水泵機組的方式，幾乎 沒有一臺變頻器拖動多臺水泵機組工作的情況，因而投資成本很高。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度等方面的提高以及其顯著的節(jié)能效果被發(fā)現(xiàn)和認可后，國外眾多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并生產(chǎn)出一系列具有恒壓供水功能的變頻器，像 日本 Samco 公司， 其 推出 的 恒壓供水基板， 具 有 “變頻泵固定方式 ”、 “變頻泵循環(huán)方式 ”兩種模式 ， 它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器 等 相關(guān) 硬件集成 到 變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼 就可以 實現(xiàn) PLC 和 PID 等電 控 系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，就可以直接控制各個內(nèi)置的 電磁接觸器工作 ， 可構(gòu)成多 達 7臺電機 (水泵 )的供水系統(tǒng)。 目前國內(nèi)很多公司在做變頻恒壓供水工程，大多數(shù)采用國外品牌的變頻器控制基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計，水泵的轉(zhuǎn)速，供水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)以及多臺水泵的 循環(huán)控制，有的采用 PLC（可編程控制器）及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機及相關(guān)軟件予以實現(xiàn)。雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱。雖 然 說 單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計簡 單 可靠，但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、 電機運行效率 偏 低，而多泵型產(chǎn)品 因 投資更為節(jié)省，運行效率更 高， 經(jīng) 實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計， 必將快速 發(fā)展成為 供水的 主導(dǎo)產(chǎn)品。追求高度的智能化、系列的標準化將是未來供水設(shè)備滿足城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。全文共分為七章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章簡略的介紹了供水系統(tǒng)的發(fā)展歷程，目前國內(nèi)外變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及相關(guān)背景； 第二章主要通過分析系統(tǒng)的控制要求，確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析； 第三章對變頻恒壓供水進行了原理性分析，為系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)； 第四章主要對控制系統(tǒng)硬件部分進行設(shè)計，并對所需元件進行選型，設(shè)計出系統(tǒng)的電氣原理圖與 I/O 口外圍接線圖； 第五章對系統(tǒng)軟件部分進行總體設(shè)計，介紹了各軟件程序部分設(shè)計過程，重點研究壓力采集程序與 PID 部分，并列舉典型程序； 第六章主要對 PLC 程序進行仿真軟件調(diào)試和實驗室調(diào)試，然后對仿真結(jié) 果進行驗證分析，并總結(jié)不足之處； 第七章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。根據(jù)以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計。 結(jié)合以上要求可知此次設(shè)計宜采用 PLC 控制變頻恒壓 的 供水系統(tǒng) ， 主要 由 變頻器、可編程控制器、壓力 傳感器 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)，本設(shè)計中有 4 臺水泵 （ 3 臺水泵為常規(guī)供水泵， 1 臺為輔助泵） ，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即 3 臺水泵中只有 1 臺水泵在變頻器控制下 做 變速運行，其余水泵做恒速運行。系統(tǒng)實時跟蹤管網(wǎng)壓力與壓力設(shè)計值偏差變化情況，經(jīng) PLC 進行 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 ， 由 PLC 控制變頻與工頻切換，自動控制水泵電機投運臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)整恒壓供水 [5]。四臺水泵中每臺泵的出水管都安裝手動閥，以方便維修和調(diào)節(jié)水量，三臺常規(guī)水泵協(xié)調(diào)工作以滿足實際供水需要，輔助泵僅在自動狀態(tài)啟動前處于啟動狀態(tài)，在自動狀態(tài)啟動后關(guān)閉；在變頻供水系統(tǒng)中檢測管網(wǎng)壓力的壓力傳感器，通常采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流信號 )；變頻器作為供水系統(tǒng)的核心器件，通過改變電機的頻率來實現(xiàn)電機的無級調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項 功能。 (1) 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是由水泵組構(gòu)成，它們用于將水供給用戶管網(wǎng)，圖 3個常規(guī)水泵分為二種類型 : 調(diào)速泵 :是由變頻器控制可以變頻調(diào)速的水泵，根據(jù)用水量的變化情況改變電機的轉(zhuǎn)速，用以維持管網(wǎng)水壓的恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足的情況下，對供水量進行定量補充。 2) 報警信號 :它反映系統(tǒng)是否正常運行，水庫液位是否超限、變頻器是否有異常。 (3) 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)通常安裝在供水控制柜中，共包括供水控制器 (PLC系統(tǒng) ) 、變頻器和電控設(shè)備三部分。供水控制器直接采集系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號，對人機接口和通訊接口所提供的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算 法，得出控制執(zhí)行機構(gòu)的方案，通過變頻器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu) (水泵 ) 進行規(guī)律控制。變頻器根據(jù)供水控制器送來的控制信號來改變調(diào)速泵的運行頻率，實現(xiàn)對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。應(yīng)用于在供水控制器的控制下實現(xiàn)對水泵的切換、手動 /自動切換等。借助于人機界面，使用者可以完成更改設(shè)定壓力，修改系統(tǒng)設(shè)定等操作以滿足不同工藝的需求，同時使用者還可以從人機界面上了 解系統(tǒng)的運行情況以及設(shè)備的工作狀態(tài)。 (5) 通訊接口 通訊接口作為本系統(tǒng)的重要組成部分，借助于該接口，系統(tǒng)能夠和組態(tài)軟件以及其他的工控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通訊接口，還可以把現(xiàn)代較為先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，類似于可以對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。由于本系統(tǒng)在不同的供水領(lǐng)域均可適用，所以為實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、安全 的運行，防止因為電機過載、變頻器運行報警、電網(wǎng)波動過 大、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等原因造成的故障，因此系統(tǒng)需要對各種報警量進行監(jiān)測，然后通過 PLC判斷報警類別，進 7 行報警顯示和保護動作控制，以免造成本可避免的損失 [5]。若出現(xiàn)電源瞬時停電的情況，系統(tǒng)立即停止運行。該系統(tǒng)最基本的功能是變頻自動控制，系統(tǒng)可自動實現(xiàn)對水泵的軟啟動、循環(huán)變頻、停止等操作過程。 (3) 停止 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進入停機狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。 這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運行時間接近，防止個別供水泵運行時間過長損耗，而有的泵因長時間不用而銹死，從而有效的延長了設(shè)備的壽命。當(dāng)正在運 行的供水泵全速運行，但仍未達到給定壓力值時，切換變頻泵到工頻運行，通過變頻器軟啟動另一臺供水泵。由于水泵功率較大，為了避免直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器 8 來啟動水泵 [9]。 而異步電動機轉(zhuǎn)速 )1(60)1( 11 sP fsnn ???? （ ） 式中 s 異步電機轉(zhuǎn)差率， 11 /)( nnns ?? ，一般小于 3%。變轉(zhuǎn)差率調(diào)速中為確保其較大的調(diào)速范圍在一般情況下采用串級調(diào)速方式，它的最大優(yōu)點在于可回收轉(zhuǎn) 差功率，具有良好的節(jié)能效果，且其調(diào)速性能好，但是其線路過復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)的電能損耗增加，由于成本較高而影響了其推廣使用價值。 由公式可得，轉(zhuǎn)差率基本不變的情況下，三相異步電機的轉(zhuǎn)速 n 基本與電源頻率 f 成正比。但僅通過電源 9 頻率調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致電機運行性能的惡化。 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?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 兩者之間的關(guān)系曲線，如圖 所示。管阻特性則是以水泵的轉(zhuǎn)速恒定為前提的，表示揚程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線（閥門在某一開度下），如圖 所示。改變閥門開度，實際上改變的是在某一揚程下，供水系統(tǒng)面向用戶的供 水能力。管阻特性曲線和揚程特性曲線的交點，稱之為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 所示點 A。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)基本特征 水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)供水部分。所以，異步電動機的變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)。 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)為經(jīng)調(diào)節(jié)水路中的阻力以改變流量，因此，管阻隨閥門開度變化而變化，但是其揚程特性不變。轉(zhuǎn)速控制法則是 通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)供水流量，不改變閥門開度，是通過改變水的動能來改變流量。變頻調(diào)速的供水方式為轉(zhuǎn)速控制。 從流體力學(xué)可得，水泵向管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與出水流量 Q 和管網(wǎng)的水壓 H 的乘積成正比；水泵轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)水壓 H 與出水流量Q 的平方成正比。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 11 圖 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 當(dāng)使用閥門控制時，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，閥門的摩擦阻力變大，管阻特性曲線從 b3 移到 b1，揚程特性曲線不變，揚程從 H0 上升到 H1，運行工況點從 E 點轉(zhuǎn)移到F 點，水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。此情況下水泵輸出功率正比于 H0 Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)使用閥門控 制流量時，有正比于 (H1－ H0) Q2 的功率被損耗，并伴隨著閥門開度減小，閥門摩擦阻力變大，管阻特性曲線將上移，運行工況點也將隨之上移，于是 H1 增大，而被浪費的功率要隨之增加。 變頻恒壓 供水 系統(tǒng)的 變頻 原理 在本次變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)上文提及的電動機調(diào)速原理可知， 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在改變電動機頻率方面出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速裝置，它們促進了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，其主要原因是 : （ 1）變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。變頻器已在國民經(jīng)濟各部門廣泛使用。變頻應(yīng)用大大提高了工藝的高效性，使變速不依賴于機械部分，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。 變頻器頻率 給定方式 有 3 種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （ 1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。 由模擬量進行頻率設(shè)定時，給定頻率與對應(yīng)的給定信號 X（電壓或電流信號）之間的關(guān)系曲線 )(Xffx ? ,稱做頻率給定線。 （ 3）通信接口方式 可以通過通信接口，如 RS48 PROFIBUS 等，來進行遠程的頻率給定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional (比例 )、Integral (積分 )、 Derivative (微分 )控制方式，即 PID 控制。 PID 控制器作為一種線性控制