【正文】 ............................ 39 參考文獻(xiàn) ....................................................... 40 附錄 A：輸入輸出點(diǎn) I/O 口分配表 ................................... 41 附錄 B： PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 ................................. 42 附錄 C： 系統(tǒng)和主電路及其控制電路圖 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。 2． 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。 4． 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存 在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。 基于 PLC 和變 頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。 變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟(jì)有重大意義。目前，大量的動(dòng)能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。 以變頻器為核心結(jié)合 PLC 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈 3 活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與一體。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿 足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力變送器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)（如 BA 系統(tǒng)）和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。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)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。 1964 年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制 PWM 技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中的是德國人。從20 世紀(jì) 80 年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的基于 VVVF 技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在，我國約有 200 家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。總之，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，對國外公司的依賴還很嚴(yán)重。 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有 3 個(gè)貯水池， 3 臺水泵，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作變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行 。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù) ，進(jìn)行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O 點(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： 1． 改 變電源頻率； 2． 改變電機(jī)極對數(shù)； 3． 改變轉(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(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，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，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 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(yùn)行性能惡化。 7 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 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，如圖 所示。 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，如圖 所示。由于閥門開度的改變，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)，如圖 中 A 點(diǎn)。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚(yáng) 程 特 性 圖 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(yáng)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(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。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 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。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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和監(jiān)控。 三種方案的特點(diǎn)比較如下： (1) 由供水基板的變頻器、水泵機(jī)組和壓力變送器組成。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(dòng)實(shí) 現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)， 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(dòng)態(tài)性能不易保證。 （ 2） 由通用變頻器、單片機(jī)（包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制）和壓力變送器組成。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。 這種控制方式靈活方便，通用性強(qiáng)。在硬件設(shè)計(jì)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(shí)，可以方便地通過控制 PLC 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)。通過比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。 11 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的基本工作過程 PLC 控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該 系統(tǒng)的控制原理圖如圖 所示： 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報(bào) 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制原理圖 從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分。 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(bào)警信號。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。信號有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)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(gè)部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)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(shí)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(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4~20mA 的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參 數(shù)。 13 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下： 1． 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵 M1 工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3 投入運(yùn)行，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。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M1關(guān)掉。 14 在系統(tǒng)工作時(shí)既要使機(jī)組不過于頻繁的切換，又要保證系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力 ，應(yīng)考慮電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制， 50Hz 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率；另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0Hz。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)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(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)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(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)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(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)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(yùn)行壽命。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。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)。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。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(yùn)算，再將運(yùn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 16 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： PLC、變頻器、水泵機(jī)組、壓力變送器、液位變送器。 變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類 1． 變頻器的基本結(jié)構(gòu) 變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的 CPU 以及一些相應(yīng)的電路。 17 變頻器的控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 V/f 控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá) 到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。通過控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM 波，達(dá)到各種不同的控制目的。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基