【正文】 .................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 結(jié)束語(yǔ) .......................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 參考文獻(xiàn) .................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 A 主程序梯形圖 .............................................................................................................46 附錄 B 英文文獻(xiàn) ...................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 63 頁(yè) 1 緒論 選題的背景 自從改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民生活水平快速提高。在過(guò)去的二十幾年的中，我國(guó)城市居民人均生活用水量提升了一倍多，但是由于城市供水設(shè)備還是相較落后，造成人民用水緊張，特別是在用水高峰期時(shí)，供水一般是不足的。因此供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性會(huì)直接影響到居民生活水平。 變頻恒壓供水 技術(shù)簡(jiǎn)介 變頻恒壓供水技術(shù)是指將 變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器 （ PLC）相結(jié)合以 PLC作為 整個(gè)裝置的控制中心 ， 使 變頻器與 PID 相 結(jié)合， 變頻恒壓供水 系統(tǒng) 能夠依照供水系統(tǒng)的壓力值迅速 調(diào)整供水系統(tǒng)的 供輸情況 ， 從而實(shí)現(xiàn) 恒壓供水的目的， 這項(xiàng)技 術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)有： 運(yùn)行安全、操作簡(jiǎn)單、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。變頻調(diào)速技術(shù)具有能夠自動(dòng)化地根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)供水壓力，它更加節(jié)約了資源更節(jié)省了運(yùn)行成本。它還具有能減小水泵、電機(jī)內(nèi)部的機(jī)械沖擊力和摩擦力的損耗的特點(diǎn) 變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn) 和特點(diǎn) 變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點(diǎn) 基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 63 頁(yè) 1. 變頻恒壓供水 可以長(zhǎng)效保持 恒定 的供水水 壓 強(qiáng) ，并 且能夠依照 壓力 變化而 自動(dòng)化的完成 備用泵 的壓力調(diào)節(jié) ， 這使 供水 效果優(yōu)化 ， 比 傳統(tǒng) 的 供水 方式 ， 更有效的減少因?yàn)楣舱穸斐晒艿榔屏训默F(xiàn)象 。同時(shí)， 變頻恒壓供水啟動(dòng) 方式平緩 ， 可以避免 電機(jī)水泵 和電機(jī) 的 供電 沖擊 力 ， 避免了傳統(tǒng)供水方式中水錘現(xiàn)象的發(fā)生。 4. 變頻恒壓供水 還可以根據(jù)客戶自身的需求，自動(dòng)化、智能化的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、水泵的壓力，減少了工作人員的工作量，提高了工作效率，節(jié)省了資源環(huán)境。 變頻恒壓供水的特點(diǎn) （ 1）節(jié)約資源，比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)節(jié)約百分之五十至七十的電量，正式國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色科技。同時(shí)減少了一些不必要的器件，節(jié)省了制作、 運(yùn)營(yíng)成本。而且它的自動(dòng)化程度較高，減少了人對(duì)其的工作量，使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加具備人性化。 （ 5）因?yàn)樽冾l恒壓調(diào)速能夠從水源供水，不會(huì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存水，減少水與過(guò)程環(huán)境的接觸時(shí)間與空間，從而達(dá)到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點(diǎn)。大大 減少了人力成本。 （ 2）也廣泛的應(yīng)用于自來(lái)水廠、小區(qū)、公園等公共用水機(jī)構(gòu)，為人民群眾的公共用水提供了有力保障。而恒壓供水系統(tǒng)能夠?yàn)槠涮峁┓€(wěn)定、安全、節(jié)能的供水系統(tǒng)。所以說(shuō)穩(wěn)定的供水系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重。 過(guò)去的 供水 模式 占地 相對(duì)較 大，水質(zhì) 十分容易被 污染，基建 成本高 ， 而最為不足之處是無(wú)法維持水壓恒定 ， 導(dǎo)致許多設(shè)備不能處于正常工作狀態(tài) 。 因?yàn)橛辛税踩a(chǎn) 和供水質(zhì)量的 特定需求 ，恒壓供水 系統(tǒng)的 壓力 需要被嚴(yán)格控制 ， 促使 變頻調(diào)速技術(shù) 進(jìn)入到更加深層次的研發(fā) 。 如果 閥門開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速都 保持恒定 的 情況 下，流量的 控制 主要 決定于居民 的用水 需求 ，因此，揚(yáng)程特性 具體表征 的是用水流量 Qu與揚(yáng)程 H 間的關(guān)系 H=f(Qu)。管阻特性 體現(xiàn)了 水泵能量 克服 供水 系統(tǒng)的水位及壓力差、 流量 在 管網(wǎng) 中流動(dòng)阻力的變化 關(guān)系 。因此，管阻特性 表征的 是揚(yáng)程 H 與供水流量 Qc 之間的關(guān)系 曲線 H=f(Qc)。在 A 點(diǎn) 時(shí) ， 居民 的用水流量 Qu 大致與 供水系統(tǒng) 中的 供水流量 Qc 相同 ，供水系統(tǒng)既滿足 了 揚(yáng)程特性及 管阻特性，系統(tǒng) 正常 運(yùn)行 ，并保持穩(wěn)定 。 通常是 異步電動(dòng)機(jī) 帶動(dòng) 水泵 來(lái)供水 ， 并 且把電機(jī)和水泵 整合在一起 ，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速 由 變頻器 控制 ， 通過(guò)調(diào)節(jié) 出水流量 來(lái)的大小完成 恒壓供水。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是 利用控制 定子供電頻率 的變化 來(lái) 控制 同華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 63 頁(yè) 步轉(zhuǎn)速 從 而 完成目標(biāo) 的。閥門控制法 原理是通過(guò)控制閥門開(kāi)度來(lái)控制流量大小，系統(tǒng) 電機(jī)轉(zhuǎn)速 保持不變 。 因?yàn)樵趯?shí)際用水中 ，需水量 不是一成不變的 ， 假使 閥門開(kāi)度在 某個(gè)階段維持恒定 ， 則一定會(huì)存在 超壓或欠壓現(xiàn)象。因此，揚(yáng)程特性 與 水泵轉(zhuǎn)速 成線性關(guān)系 ， 而 管阻特性 維持穩(wěn)定 。 其本質(zhì)上 是 依據(jù)居民 用水量的變化自動(dòng)地 控制 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終 維 持 穩(wěn) 定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了 獲得較大的調(diào)速范圍而一般選取 串級(jí)調(diào)速的 辦法 ， 該方法 最大 好處就是能夠循環(huán)利用 轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果 更為突出 ，且調(diào)速性能 優(yōu)越 ，但 因?yàn)?線路 結(jié)構(gòu)太過(guò)繁瑣 ，增加了 線路 環(huán)節(jié)的電能損 耗 ，成本高 的缺點(diǎn)嚴(yán)重了 影響它的推廣價(jià)值。 依 據(jù)公式可 得 ， 若 轉(zhuǎn)差率 改變不大 時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 大體 上與電源頻率 f成線性關(guān)系（一般為正比關(guān)系） 。基于 PLC 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 63 頁(yè) 但是， 簡(jiǎn)單的控制 電源 頻率 變化 ， 會(huì)導(dǎo)致 電機(jī)運(yùn)行性能惡化。 變頻恒壓供水系統(tǒng) 的 控制方案 控制方案的 選擇 恒壓變頻供水系統(tǒng) 一般由 單元變頻器、恒壓控制 、 壓力變送器、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。 依據(jù) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的 要求，有以下幾種方案可供 參考 ： (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) 相對(duì)比較簡(jiǎn)單 ，將 PID 調(diào)節(jié)器 與 PLC 等硬件集成在變頻器供水基板上， 采取 設(shè)置指令代碼 完成 PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的 功能 。其輸出接口 也存在擴(kuò)展功能 靈活度低 ，數(shù)據(jù) 傳輸 困難，并且 影響 了帶負(fù)載的容量，因此僅 僅能夠滿足 于要求 較低 的小容量場(chǎng)合。該系統(tǒng) 僅 適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水 系統(tǒng) 中。具 備不錯(cuò)的 通信接口， 能夠 方 便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性 相對(duì)較高 ； 目前 由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可 按照實(shí)際需要 組成規(guī)模和 需求 不同 的 控制系統(tǒng)。 并且基 于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高 特點(diǎn) ，因華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 63 頁(yè) 此系統(tǒng)的可靠性大大 改善 。 通過(guò) 以上 這幾種方案的 對(duì)比 和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本 設(shè)計(jì) 。 系統(tǒng)的 組成及原理圖 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng) 一般由 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 等幾個(gè)部分 組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 22 所示： 圖 22 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖 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) 由一組水泵組構(gòu)成 ， 該組水泵的作用是 將水 引 入 居民用水管網(wǎng)， 該水泵組主要 由一臺(tái)變頻泵和兩臺(tái)工頻泵 組成 ，變頻泵是 通過(guò) 變頻調(diào)速器控制、能夠 進(jìn)行變頻調(diào)整 功能 的水泵，用 來(lái)依據(jù)具體的用水情況調(diào)節(jié) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的 壓力穩(wěn) 定；工頻泵 僅工作 于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量 相對(duì)較 大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都 不能達(dá)到供水需求 時(shí)）的情況下投入 使用 。管網(wǎng)水壓信號(hào) 代表 的是 供水 管網(wǎng)的水壓值， 該信號(hào) 是恒壓供水控制的 核心 反饋信號(hào)。 此外 為 改善 系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水 管網(wǎng) 的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表實(shí)施 檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC， 當(dāng)作 數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào) 表征 水泵的進(jìn)水水源是否 充裕 。 水池水位 信號(hào)來(lái) 源于 安裝 在 水池中的液位變送器；報(bào)警信號(hào) 表征 系統(tǒng)是否 處于 正常 工作狀態(tài) ，水泵電機(jī)是否 出現(xiàn) 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 絕對(duì)重點(diǎn) 。 通過(guò) 水泵機(jī)組中水泵被變頻器 控制 的 類型各異 ，變頻器 的兩種運(yùn)行方式是 變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器 控制 某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵 工作 在上限頻率 時(shí)，其供水量仍 不能達(dá)到 用水 需 求， 必須 增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵 機(jī)組 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 控制其中 一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵， 若 這臺(tái)水泵 工作 在 上限頻率 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到 用水要求， 必須 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 進(jìn)行 切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng) 開(kāi)始 運(yùn)行 之 前可以 進(jìn)行 選擇 ， 該 設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 中采用前者。由于 該 系統(tǒng) 可適應(yīng) 于 各種 供水領(lǐng)域，所以為了 確保 系統(tǒng)安全、可靠、 穩(wěn)定 的運(yùn)行 性能 ， 避免 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) 分析 ，由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和 不同的 保護(hù)動(dòng)作控制， 從而避 免造成不必要的損失。設(shè)定的供水 水壓 可以是常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 63 頁(yè) 函數(shù)， 即 每個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 23 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng) 一般利用安裝 在 居民 供水管 網(wǎng) 上的壓力變送器實(shí)時(shí)地 測(cè)量 參考點(diǎn)的水壓， 測(cè)得 管網(wǎng)出水壓力，并將 該信號(hào) 轉(zhuǎn) 化成 4—20mA 的電 子 信號(hào) ， 該 檢測(cè)信號(hào)是 完成 恒壓供水的 主要 參數(shù)。 系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下 : (l) 系統(tǒng) 正常啟動(dòng) ， 依據(jù)接 收到自控系統(tǒng)啟動(dòng) 的正常 信號(hào)后，啟動(dòng)變頻器 調(diào)節(jié) 變頻泵 M1 開(kāi)始運(yùn)行 ， 依據(jù) 壓力變送器 檢測(cè) 的 用戶 管網(wǎng)實(shí)際 水壓 和設(shè)定 水壓間的 偏差 進(jìn)行 調(diào)節(jié) 變頻器 的實(shí)際 輸出頻率， 進(jìn)而調(diào)節(jié) Ml 的轉(zhuǎn)速 大小 ， 若 輸出 水壓 達(dá)到設(shè)定值， 而 供水量與用水量 也維持 平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值， 該時(shí)間段 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。反之， 若 用水量 降低 水壓增加時(shí)， 利用 壓力閉環(huán) 系統(tǒng) ，減小水泵的轉(zhuǎn)速 且會(huì)達(dá) 到另一個(gè) 相對(duì)穩(wěn)定的 值。 假使 用水量 不斷 增 大 ， 達(dá)到 增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上 過(guò)程 ， 而 另一臺(tái)工頻泵 M3 將開(kāi)始運(yùn)行 ，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)， 水壓沒(méi)有達(dá)到 設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng) 將會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警 的信號(hào) 。 若實(shí)際 用水量繼續(xù)下降，并且 達(dá)到 減少水泵的 相應(yīng) 條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上 相同的過(guò)程 ， 且會(huì)使 另一臺(tái)工頻泵 M3 關(guān)掉。那么 該怎樣 進(jìn)行 水泵間 切換，才能 讓 系統(tǒng) 始終保持 穩(wěn)定可靠的供水壓力， 并且 使機(jī)水泵 組不 會(huì)太過(guò)頻繁 的切換呢 ? 因?yàn)?電網(wǎng)的 影響 以及 受限于 變頻器和電機(jī) 的 工作頻率， 50HZ 自然而然地 便成了 頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 事實(shí)上 ，在實(shí)際 情況 中，變頻器輸出頻率是不可能降 至 0HZ， 因此 當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動(dòng) 水泵 組給用戶 管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中 水壓 會(huì) 產(chǎn)生 反 作用而作用于 水泵，給 驅(qū)動(dòng) 水泵運(yùn)行電機(jī)一個(gè)反向的力矩， 并且該 水壓也阻 礙 源 了 水池中的水 順利地 進(jìn)入 用戶 管網(wǎng)，因此， 若 電機(jī)運(yùn)行頻率下降到 某個(gè) 值時(shí)，水泵 其實(shí)已經(jīng)根本 抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率 事實(shí)上 遠(yuǎn)大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所 相 關(guān)， 一般在 20HZ 左右 浮動(dòng) 。 當(dāng) 變頻器實(shí)際 輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。在 特殊 的 運(yùn)行條件下 ，運(yùn)行機(jī)組 數(shù)量 增加 之 后，實(shí)際供水華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 63 頁(yè) 水壓 超過(guò) 了 設(shè)定供水壓力，而 剛開(kāi)始運(yùn)行 的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又 符合機(jī)組 間 切換停機(jī) 要求 ，需要將一個(gè) 運(yùn)行 在工頻狀態(tài)下的機(jī)組 關(guān)閉 。 該運(yùn)行狀況 既無(wú)法 為供水系統(tǒng) 提供 穩(wěn)定可靠的壓力， 更 使得機(jī)組 頻繁的進(jìn)行切換 而增大 機(jī)械 損耗 ， 縮短了機(jī)組設(shè)備使用 壽命。所以，