【正文】 2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(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)需要增加水泵來滿足供水要求，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。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)備相對較少， 因此 PLC選用德國 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)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。 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，其開關(guān)量輸出為16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出 ； 開關(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 (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(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，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(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) 屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對便宜的 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。快速電流限制實(shí)現(xiàn)了無跳閘運(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。另外選擇西門子的變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 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；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；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，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(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 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)間過長。 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、隔離開關(guān)接 至變頻器的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、 V、 W 通過接觸器的觸點(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不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(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。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電流互感器和變送器將4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來顯示。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(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 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 的線圈得電， KM1 的常開觸點(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，可以通過按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過按下 SB SB6 來使電機(jī)M M3 停機(jī)。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 2 端時(shí)開啟自動(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，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 的線圈得電 ，常開觸點(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、代碼及地址編號(hào)如表 所示。AC。壓力變送器將測得的管網(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；開關(guān) SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ；液位變送器把測得的水池水位轉(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)；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測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 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)定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 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 7MicroWINV40 編程軟件開發(fā)。語句表 (S