【正文】 控制方案確定 17 工頻泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來(lái)滿(mǎn)足供水要求，達(dá)到 恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。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(chǎng)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(guò)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，此山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 18 時(shí)又滿(mǎn)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(wú)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(guò)對(duì)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。主要設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 20 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此 PLC選用德國(guó) SIEMENS 公司的 S7200 型。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開(kāi)關(guān)量輸出為16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出 ； 開(kāi)關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點(diǎn)，輸入形式為 +24V直流輸入。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一 個(gè)字長(zhǎng) (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 21 變頻器的選型 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(lèi)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(mén)子的變頻器可以通過(guò) RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門(mén)子 PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。要 使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 。 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。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW 的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺(tái)。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開(kāi)啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出 [13]。壓力表測(cè)量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀 輸出一路 4~20mA 電流信號(hào)，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 23 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位： 2m~5m，所以要通過(guò)液位變送器將檢測(cè)到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（ 4~20mA 電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入PLC。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺(tái)電機(jī)分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供 水系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、 V、 W 通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過(guò)電流互感器和變送器將4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線(xiàn)電壓。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來(lái)獲得正確的轉(zhuǎn)向。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。 PLC 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn) 變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)， SA打在 1 的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線(xiàn)編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 27 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下： (1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維修。 SB1 按下時(shí)由于 KM2 常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1 的線(xiàn)圈得電， KM1 的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。同理，可以通過(guò)按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過(guò)按下 SB SB6 來(lái)使電機(jī)M M3 停機(jī)。單刀雙擲開(kāi)關(guān) SA 打至 2 端時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由PLC 程序控制。當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM2 線(xiàn)圈得電， 1水泵變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點(diǎn)亮，同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA 響 起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA 的線(xiàn)圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 (4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)如表 所示。AC。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴(kuò)展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān) SA1 用來(lái)控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入 ；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開(kāi)關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示 燈是否正常工作。~ 分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號(hào)； 輸出水位超限報(bào)警信號(hào)； 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)； 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)； 輸出報(bào)警電鈴信號(hào)； 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)； AQW0輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。它忽略了以下因素： (1) 直流電源的容量； (2) 電源方面的抗干擾措施； (3) 輸出 方面的保護(hù)措施； (4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序 中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò) 3h，因此每次需啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵 號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì) 32 成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的 70%。 表 程序中使用的 PLC 元件及其功能 器件地址 功 能 器件地址 功 能 VD100 過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T37 工頻泵增泵濾波時(shí)間控制 VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時(shí)間控制 VD108 PID 計(jì)算值 故障結(jié)束脈沖信號(hào) VD112 比例系數(shù) Kc 水泵變頻啟動(dòng)脈沖 (增泵 ) VD116 采樣時(shí)間 Ts 水泵變頻啟動(dòng)脈沖 (減泵 ) VD120 積分時(shí)間 Ti 倒泵變頻 啟動(dòng)脈沖 VD124 微分時(shí)間 Td 復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖 VD204 變頻運(yùn)行頻率下限值 當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖 VD208 變頻運(yùn)行頻率上限值 新泵變頻啟動(dòng)脈沖 VD250 PID 調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB300 變頻工作泵的泵號(hào) 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB301 工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù) 泵工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD310 變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器 故障信號(hào)匯總 T33 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 水池水位越限邏輯 T34 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 T35 工頻 /變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 系統(tǒng)的軟件 設(shè)計(jì) 33 PLC 程序設(shè)計(jì) PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7MicroW