【正文】 系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。 實際的機(jī)組切換判別條件如下 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 ()式中： UPf ：上限頻率 LOWf ：下限頻率 sP ：設(shè)定壓力 fP ：反饋壓力 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點： 1. 節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電 20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。 3. 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 5. 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。 第 3 章 系統(tǒng)的系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器圖 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： (1) PLC及其擴(kuò)展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機(jī)組 (4) 壓力變送器 (5) 液位變送器。因此我們在選擇 PLC 時，要考慮 PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接 口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。 PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點對點接口 (PPI) 協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。由于實際中需要模擬量輸入點 1 個，模擬量輸出點 1 個 ，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4個模擬輸入 (AIW)， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。 EM235模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。變頻器的 選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。 由于本設(shè)計中 PLC 選擇的西門子 S7200 型號，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的 MicroMaster440 變頻器。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為 ~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為 75KW 的水泵電機(jī)的輸入信號。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。本設(shè)計的要求為：電動機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在 177。根據(jù)本設(shè)計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 19 發(fā)、弱腐蝕介質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?1~5V 或 4~20mA 的模擬量信號，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4~20mA 輸出壓力變送器。 根據(jù)以上的分析，本設(shè)計中選用普通 壓力表 Y100 和 XMT1270 數(shù)顯儀實 現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。 液位變送器的選型 考慮到水泵電機(jī)空載時會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。 綜合以上因素：本設(shè)計選擇 淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號為 DS26 分體式液位變送器，其量程為： 0m~200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點和滿量程外部可調(diào)；供電電源： 24VDC；輸出信號：兩線制 4~20mADC 精度等級： 級。接觸器 KM KM KM5 分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 分別為三臺水泵計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 20 電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS4 分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。因此 在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1和 KM KM3 和 KM KM5和 KM6 絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。初始運(yùn)行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn) 向，使之符合要求。系統(tǒng)啟動、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路 (如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開 )，而必須通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。本系統(tǒng)采用西門子公司 S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。手 動運(yùn)行時，可用按鈕 SB1~SB6 控制三臺水泵的啟 /停；自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在 PLC 程序控制下運(yùn)行。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器 KA的觸點對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。 (1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機(jī)故障的檢測與維修。 SB1 按下時由于 KM2 常閉觸點接通電路使得 KM1 的線圈得電，KM1 的常開觸點閉合從而實現(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 端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由 PLC 程序控制。當(dāng) 輸出 1時， KM2 線圈得電， 1水泵變頻運(yùn)行指示燈 HL2 點亮，同時 KM2 的常閉觸點斷開，實現(xiàn) KM KM1 的電氣互鎖。當(dāng) 輸出1時，水池水位上下限報警指示燈 HL7 點亮；當(dāng) 輸出 1時，變頻器故障報警指示燈 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 23 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 變頻恒壓供 水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O 端口分配中將詳細(xì)介紹。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線圖 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū) 用水量明顯不同，本設(shè)計采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運(yùn)行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報警功能。 表 輸入輸出點代碼及地址編號 名 稱 代 碼 地址編號 輸入信號 供水模式信號 (1白天， 0夜間 ) SA1 水池水位上下限信號 SLHL 變頻器報警信號 SU 試燈按鈕 SB7 壓力變送器輸出模擬量電壓值 Up AIW0 輸出信號 1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL1 1泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL2 2泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL3 2泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL4 3泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL5 3泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈 KM HL6 輸出信號 水池水位上下限報警指示燈 HL7 變頻器故障報警指示燈 HL8 白天模式運(yùn)行指示燈 HL9 報警電鈴 HA 變頻器頻率復(fù)位控制 KA 變頻器輸入電壓信號 Uf AQW0 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 25 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 PLC 的 I/O 端口分配表 ，畫出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖 。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，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，作為變頻器故障報警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動檢測各指示燈是否正常工作。 ~ 分別輸出三臺水泵電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行信號； 輸出水位超限報警信號； 輸出變頻器故障報警信號； 輸出白天模式運(yùn)行信號； 輸出報警電鈴信號； 輸出變頻器復(fù)位控制信號； AQW0 輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。AC。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)上限值的確實性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。在本設(shè)計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3h，因此每次需啟動新水泵或 切換變頻泵時，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計中使用泵號加 1的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(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)省掃描時間。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報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 70%。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表 (STL)語言、梯形圖 (LAD)語言、功能塊圖 (FWD)語 言 [14]。梯形圖 (LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。 PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機(jī)上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在 RUN 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的 。 (1) 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候， 先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。在初始化后緊接著要設(shè)定白天 /夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)