【正文】 ................................. 42 Acknowledgements .................................................................................................. 43 References ................................................................................................................ 44 Appendix .................................................................................................................. 45 1 第 1 章 緒論 課題來源及研究意義 課題來源 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。該系統(tǒng)具有自動變頻恒壓運(yùn)行、自動工頻運(yùn)行、遠(yuǎn)程手動控制和現(xiàn)場手動控制等多種模式。那么，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢。 VIII 參考文獻(xiàn)： [1] 王永華．現(xiàn)代電氣控制及 PLC 應(yīng)用技術(shù)．北京：北京航空航天大 學(xué)出版社， 2021年 [2] 張萬忠．可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例．北京：中國電力出版社， 2021 年 [3] 周萬珍，高鴻斌． PLC 分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用．北京：電子工業(yè)出版社， 2021 年 [4] 金傳偉，毛宗源．變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用．電子技術(shù)應(yīng)用， 2021，No． 9： 3839 [5] 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隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，人們對城市供水系統(tǒng)的建設(shè)、供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。以上事實(shí)均對恒壓無塔供水系統(tǒng)的可操作性給予了有力支持，所以該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可行。允許用戶在現(xiàn)場設(shè)置 PID 參數(shù)，通過調(diào)試選出最佳參數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。 一般情況下， PID 方式的調(diào)節(jié)器就能夠滿足供水管壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。生活用水和消防用水共用三臺電機(jī)泵，平時(shí)電磁閥 YV2 處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，三臺電機(jī)泵根據(jù)實(shí)際生活用水量，按一定的邏輯控制運(yùn)行，使生活用水保持在恒壓狀態(tài)下（生活用水低恒壓值）進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥 YV2 得電，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，三臺電機(jī)泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也保持在恒 壓狀態(tài)下（消防用水高恒壓值）進(jìn)行；火災(zāi)結(jié)束后恢復(fù)三臺電機(jī)泵的邏輯控制，正常供給生活用水。水池的水位信號也直接送給 PLC，作為水位報(bào)警用。如果給定值大于實(shí)測值，說明系統(tǒng)水壓低于理想水壓，要加大電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速，如果水壓高于理想水壓，則降低電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)器再根據(jù)給定值和實(shí)測值的綜合，依一定的調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號。這也有兩種配置方式：一是為每臺電機(jī)泵配一臺變頻器，這種方式，電機(jī)與變頻器間不需要切換，但是購買變頻器的費(fèi)用較高，成本過大；另一種方式是一 臺變頻器控制多臺電機(jī)泵，變頻器與電機(jī)泵之間可以切換，供水運(yùn)行時(shí)，一臺電機(jī)泵變頻運(yùn)行，其余電機(jī)泵共頻運(yùn)行，這種方式，不僅可以滿足不同用水量的需求，而且可以充分利用變頻器和 PLC 的控制資源。所以，應(yīng)該根據(jù)供水的具體需求選擇兩臺以上電機(jī)泵（本設(shè)計(jì)以三臺電機(jī)泵為例）。 圖 21：恒壓供水系統(tǒng)控制方案原理框圖 V JS浮球開關(guān)加 水 入 口蓄 水 池PLC變頻器M 1M 2M 3M 4壓力變送器通 訊 接 口消 防 用 水生 活 用 水 圖 22：生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖 理論分析： 恒壓供水站一般需設(shè)多臺電機(jī)泵，這比設(shè)單臺電機(jī)泵更加節(jié)能而可靠。 （ 7）要求控制系統(tǒng)可以與上位機(jī)進(jìn)行通信，并可通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警。 IV （ 5）電機(jī)泵在啟動時(shí)具有變頻軟啟動功能，且采用分組方式運(yùn)行。 （ 3）在用水高峰期時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)用水需求量控制 1～ 2 臺電機(jī)泵同時(shí)協(xié)調(diào)工作，保證用水需求的正常供給。 （） 研究 /設(shè)計(jì)的目標(biāo)： 本設(shè)計(jì)要求以 PLC為核心設(shè)計(jì)一個(gè)恒壓無塔供水系統(tǒng)，包括生活用水的恒 壓控制和消防用水的恒壓控制 —— 即雙恒壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)： （ 1）可編程控制器 PLC 需根據(jù)恒壓供水的需要，通過反饋信息控制啟動電機(jī)泵的數(shù)量。原深圳華為 (現(xiàn)己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團(tuán) (森蘭變頻器 )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，可完成多達(dá) 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時(shí)啟停及定時(shí)循環(huán)控制工作。 國內(nèi)不少公司在做變頻恒壓供水工程時(shí)，大多采用國外的變頻器來控制水泵的轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的還需要采用可編程控制器輔以相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的則采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。后來日本富士電機(jī)公司推出了新一代風(fēng)機(jī)、水泵專用型變頻器 FRENICVP 系列， VP 系列變頻器具備適合 HVAC（ Heat Ventilation Air Conditioner）行業(yè)所需的最佳功能，節(jié)省空間，操作簡便，機(jī)型豐富，全球通用。隨著變頻恒壓供水系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來，再加上其顯著的節(jié)能效果，許多變頻器生產(chǎn)廠家開始推出具有恒壓供水功能的變頻器，例如：日本 Samco 公司就推出了恒壓供水基板，具有“變頻 III 泵固定方式”和“變頻泵循環(huán)方式”兩種工作模式，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在 變頻器控制基板上，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，在應(yīng)用時(shí)只需搭載配套的恒壓供水單元，便可以直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，最多可構(gòu)成 7 臺電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。為了在供水量需求不同時(shí)， 保證管網(wǎng)壓力恒定，還需要在變頻器外部增加壓力傳感器和壓力控制器，以對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。在初期階段，變頻器主要用來進(jìn)行頻率控制、變速控制、正反轉(zhuǎn)控制、啟制動控制、壓頻比控制等。主要表現(xiàn)在用水高峰期水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象；而在用水低峰期水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)不僅會造成能量的浪費(fèi)、供水電機(jī)的不必要損耗，而且還有可能造成水管因受壓過大而爆裂以及用水設(shè)備的損壞等等不良情況的發(fā)生。本論文將圍繞變頻恒壓控制技術(shù)開展研究工作，以期為城市供水行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和科技應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。該系統(tǒng)集自動化技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、電氣傳動技術(shù)、變頻技術(shù)于一體，可以顯著提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，也有利于實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控。一方面要求避免因壓力的波動而造成的供水障礙，另一方面要求保障供水的可靠性和安全 性，甚至于在火災(zāi)發(fā)生時(shí)也能可靠供水。 I 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目： 基于 PLC 的恒壓無塔供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 題： 院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 班 級： 自動化 姓 名： XXX 學(xué) 號： XX 指導(dǎo)教師： XXX 教師職稱： 教授 II XXXXXX 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告 題 目 基于 PLC 的恒壓無塔供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 來源 工程實(shí)際 研究目的和意義 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，城市高層建筑的供水問題日益突出，對供水質(zhì)量的要求進(jìn)一步提高?；谶@兩方面的要求， PLC 控制的恒壓無塔供水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。此外，變頻恒壓供水系統(tǒng)還具有良好的節(jié)能性，這在大力提倡節(jié)能降耗的今天尤為重要。 （） 國內(nèi)外發(fā)展情況 (文獻(xiàn)綜述 ) 我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較 落后，工業(yè)自動化程度低。 變頻恒壓供水技術(shù)是在變頻調(diào)速技術(shù)基礎(chǔ)之上逐漸發(fā)展起來的。在這個(gè)階段，變頻器僅僅用作變頻恒壓供水系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在供水工程中，也是采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，造成投資成本很高。這類控制設(shè)備雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但因其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性也不高，且難以與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，限制了帶負(fù)載的容量，其實(shí)際使用范圍受到不小的限制。該類變頻器能夠適應(yīng)風(fēng)機(jī)、水泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，節(jié)能、省力，充分挖掘了系統(tǒng)的應(yīng)變能力，滿足了整體成本下降的需要。從使用調(diào)查情況來看，雖然取得了可喜的進(jìn)步，但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能抗 干擾性能以及開放性等方面，還沒有完全達(dá)到用戶的要求。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載的數(shù)量，也不具有數(shù)據(jù)通信功能，只適用于小容量、控制要求不高的供水場所。 （ 2）系統(tǒng)具有生活、消防雙恒壓控制功能，正常生活供水時(shí)，一臺電機(jī)泵連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間不得超過 40 小時(shí)，并輪流切換。 （ 4）具有電機(jī)泵過載保護(hù)、變頻器報(bào)警輸出和自動復(fù)位等保護(hù)措施。 （ 6）主要電器設(shè)備及元件選擇設(shè)計(jì)要合理 ，符合電氣標(biāo)準(zhǔn)。 設(shè)計(jì)方案（研究 /設(shè)計(jì)方法、理論分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)方法和步驟等）： 研究 /設(shè)計(jì)方法 通過 PLC控制器控制變頻器，再通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)泵的運(yùn)行狀況，以此實(shí)現(xiàn)正常的供水。因?yàn)榕鋯闻_電機(jī)泵時(shí)，它的功率 必須足夠大，在用水低峰期時(shí)使用一臺大電機(jī)泵無疑造成浪費(fèi)，但如果電機(jī)泵選小了，在用水高峰期時(shí)又會出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象，而且電機(jī)泵損壞需要維修時(shí)，使用別的電機(jī)泵承擔(dān)供水任務(wù)是必要的。 恒壓供水系統(tǒng)的主要目標(biāo)是為了保證管壓網(wǎng)水壓的恒定，電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速會隨著用水量的變化而變化，這就要求變頻器對電機(jī)泵進(jìn)行供電控制。 壓力傳感器將水壓的變化量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓克徒o調(diào)節(jié)器（ PID調(diào)節(jié)）。調(diào)節(jié)器接受了實(shí)測水壓的反饋信號后，將其與給定值進(jìn)行比較求差。 市網(wǎng)自來水 用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 TV1，自動把儲水池的水注滿，只要水 VI 位低于低水位，則自動往水箱中注水。為了保障供水的持續(xù)性，水位上下限傳感器之間的距離不應(yīng)相差很大。 （） 方案的可行性分析： 通過近期對資料的收集整理，以及國內(nèi)外的先進(jìn)事例，對恒壓無塔供水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行給予了理論上、事實(shí)上的充分證明。而且目前在國內(nèi)，專門針對供水的變頻器集成化越來越高，維護(hù)操作也越來越簡單，很多專用供水變頻器集成了 PLC 和 PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件中，壓力給定值可以通過變頻器輸入設(shè)定，也可以通過電位器送入，而微處理器控制系 統(tǒng)的壓力給定值也可通過相應(yīng)的裝置輸入。另外，部分新品的變頻供水只需簡單設(shè)定壓力值就可以正常運(yùn)行，控制軟件和其它參數(shù)在出廠時(shí)就已設(shè)定或利用傳