【正文】 水泵機(jī)組的切換 )。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對于能適應(yīng)不同的用水場合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。 采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電 流從零逐漸增至額定電流，起動時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 第二章 PLC的概述 可編程控制器定義 PLC 的定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺 PLC 是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制 的。 20 世紀(jì) 70 年代 初出現(xiàn)了微處理器。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲組件都以繼電器命名。 20 世紀(jì) 70 年代中末期， 可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。 20 世紀(jì) 80 年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。 20 世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn) 代工業(yè)的需要。 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 PLC在 I/O處理方面必須遵守的規(guī)則如下： ①輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)； ②程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)； ③輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。 可編程控制器的基本組成 控制組件 可編程控制器主要由 CPU、存儲器、基本 I/O 接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成。編程裝置將用戶程序送入可編程控制器，在可編程控制器運(yùn)行狀態(tài)下，輸入單元接收到外部元件發(fā)出的輸入信號，可編程控制器執(zhí)行程序，并根據(jù)程序運(yùn)行后的結(jié)果，由輸出單元驅(qū)動外部設(shè)備。 CPU 一般由控制電路、運(yùn) 算器和寄存器組成。 CPU 通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲單元、輸入輸出接口電路連接。 CPU 常用的微處理器有通用型微處理器、單片機(jī)和位片式計(jì)算機(jī)等。小型 PLC 的CPU 多采用單片機(jī)或?qū)Ｓ?CPU，中型 PLC 的 CPU 大多采用 16位微處理器或單片機(jī)，大型 PLC 的 CPU 多用高速位片式處理器，具有高速處理能力。 只讀存儲器 ROM 用以存放系統(tǒng)程序，可編程控制器在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)程序固化在 ROM 中 ，用戶是不可改變的。它存儲的內(nèi)容是易失的，掉電后內(nèi)容丟失；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，用戶程序可以保存在只讀存儲器 EEPROM 或由高能電池支持的 RAM 中。 3. I/O 單元及 I/O 擴(kuò)展接口 （ 1） I/O 單元 PLC 內(nèi)部輸入電路作用是將 PLC 外部電路（如行程開關(guān)、按鈕、傳感器等）提供的符合 PLC 輸入電路要求的電 壓信號，通過光電耦合電路送至 PLC 內(nèi)部電路。根據(jù)輸入信號形式的不同，可分為模擬量 I/O 單元、數(shù)字量 I/O 單元兩大類。 （ 2） I/O 擴(kuò)展接口 可編程控制器利用 I/O 擴(kuò)展接口使 I/O 擴(kuò)展單元與 PLC 的基本單元實(shí)現(xiàn)連接，當(dāng)基本 I/O 單元的輸入或輸出點(diǎn)數(shù)不夠使用時(shí)，可以用 I/O 擴(kuò)展單元來擴(kuò)充開關(guān)量 I/O 點(diǎn)數(shù)和增加模擬量的 I/O 端子。 PLC 通過 PC/PPI 電纜或使用 MPI 卡通過 RS485接口與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。外部連接的電源，通過 PLC 內(nèi)部配有的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流 /直流供電電源轉(zhuǎn)化為 PLC 內(nèi)部電路需要的工作電源（直流 5伏、正負(fù) 12伏、 24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供 24V 直流電源（僅供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動 PLC 負(fù) 載的電源由用戶提供 。 S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC， S7200 屬于小型 PLC，在 1998 年升級為第二代產(chǎn)品， 2021 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 [6]： （ 1） 功能強(qiáng)大。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 第三章 恒壓供水系統(tǒng) 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析 電動機(jī)調(diào)速原理 水 泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? （ ） 式中： f 表示電源頻率， p 表示電動機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(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 [7]，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。 變頻器的特點(diǎn) 由 于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達(dá)到 20%～ 60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)水泵的耗用 功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶需要的平均流量較小時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。由于這類負(fù)載很多，約占交流電動機(jī)總?cè)萘康?20%～ 30%，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。采用變頻器后，馬達(dá)只需在額定電流下就可啟動，電流平滑無沖擊，減少了啟動電流對馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，延長了電機(jī)的使用壽命。而使用變頻器調(diào)節(jié)后由于變頻器內(nèi)濾波電容的使用，使得功率因素接近為 1，增大了電網(wǎng)的有功功率。 方便控制，使控制系統(tǒng)簡單化 ①、變頻器很容易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn) ②、加、減速時(shí)間及頻率可任意調(diào)節(jié) ③、變頻器還具有直流制動功能，需要制動時(shí)，變頻器給電動機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動，則無需另加制動控制電路 ④、運(yùn)行平穩(wěn) ⑤、可進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)。比例作用大 ,可以加快調(diào)節(jié) ,減少誤差 ,但是過大的比例 ,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降 ,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因?yàn)橛姓`差 ,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行 ,直至無差 ,積分調(diào)節(jié)停止 ,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。反之 Ti 大則積分作用弱 ,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降 ,動態(tài)響應(yīng)變慢。 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。對有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動作控制。偏差小時(shí)， P動作的作用減小。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。 利用 I動作消除偏差作用和用 D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。這種控制方式用于從 產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。 (2)軟件型：使用離散形式的 PID控制算法在可編程序控制器 (或單片機(jī) )上做 PID控制器 此次使用硬件型控制形式。 圖 PID 控制接線圖 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 13 變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn) : (1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量 (如 :溫度、流量、濃度等 )一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。 (2)用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。 (4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制 (包括定量泉的停止和運(yùn)行 )是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時(shí)時(shí)變化的。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 (7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動，啟動電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動慣性對設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設(shè) 備的使用壽命。由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。自來水廠送來的水先儲存的水池中再通過水泵加壓送給用戶。 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟 動、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。 2．單片微機(jī)電路控制方式 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。 3．帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器 (PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足 用戶需要的水壓期望值。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入 PID回路調(diào)節(jié)器，由 PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。若采用帶有模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊 PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個(gè) PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。 4．新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針 對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的 TD2100；施耐德公司的 Altivar58泵切換卡； SANKEN的SAMCO— I系列； ABB公司的 ACS600、 ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的 GIIS／ PIIS系列產(chǎn)品；等等。由于 PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對 PID算法的編程，而且 PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn) 成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。如圖 。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓 力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器 (反饋 0～ 5V電壓信號 )或壓力變送器 (反饋 4～ 20mA電流 )；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。 恒速泵 :水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。 (2)信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報(bào)警信號 : 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 ① 水壓信號 :它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。該信號為開關(guān)量信號。 ① 供水控制器 :它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。 ② 變頻器 :它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。 (4)人機(jī)界面 人機(jī)界面是人