【正文】 析，本設(shè)計(jì)中選用普通壓力表和數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量、顯示和傳送。 液位變送器的選型一、液位變送器的定義液位變送器是壓力變送器技術(shù)的延伸與發(fā)展，依據(jù)不同比重的液體在不同高度所產(chǎn)生壓力成線性關(guān)系的規(guī)律，完成對(duì)液高、水、重量的精確測(cè)量和輸送。二、液位變送器的工作原理液位變送器工作原理：用靜壓測(cè)量原理，當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中某一高度時(shí)，傳感器迎液面所受到的壓力公式為：：式中： ：變送器迎液面所受壓力 ：被測(cè)液體密度g ：當(dāng)?shù)刂亓铀俣?：液面上大氣壓 ：變送器投入液體的深度同時(shí)，通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓 與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的 ，使傳感器測(cè)得壓力為： ，顯然通過測(cè)取壓力，可以得到液位深度。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中要求貯水池水位的范圍為2m~5m，所以要利用液位變送器將檢測(cè)到的水位變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4~20mA電壓信號(hào)），再將其輸入至窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為水位的報(bào)警信號(hào)輸入PLC。綜合以上因素：主要設(shè)備選型如表34所示：表34 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 MM 440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YI00、XMTI270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)主電路、控制電路分析及其設(shè)計(jì) 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35所示：三臺(tái)電機(jī)分別為MMM3，分別帶動(dòng)三臺(tái)水泵3。該系統(tǒng)利用三泵循環(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，用水量較小的情形下，假使變頻泵持續(xù)工作時(shí)間大于3h，則需切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具備“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間太久。圖35 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源通過低壓熔斷器、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經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)連至電機(jī)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，兼顧完成短路保護(hù)，各臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由對(duì)應(yīng)的熱繼電器FR完成。并且變頻器的輸出端堅(jiān)決不允許直接接電源，必須通過接觸器的觸點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)已接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。為觀察電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小能夠利用電流互感器和變送器將4~20mA電流信號(hào)送至上位機(jī)上顯示。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個(gè)電壓表表示不同相之間的線電壓。假使轉(zhuǎn)向相反，則可以利用電源的相序來調(diào)整正確的轉(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)PLC是系統(tǒng)能夠完成恒壓供水的核心控制設(shè)備，正確的控制電路與可靠的程序直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。PLC主要是用于完成恒壓供水的自動(dòng)控制過程，要完成下述性能：控制三臺(tái)水泵的自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行；在三臺(tái)水泵間能夠?qū)崿F(xiàn)變頻泵的切換；啟動(dòng)時(shí)三臺(tái)水泵需有軟啟動(dòng)功能；進(jìn)行操作時(shí)需要有手動(dòng)/自動(dòng)控制性能，手動(dòng)模式僅在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要具備完善的報(bào)警功能并能準(zhǔn)確顯示運(yùn)行工況。圖中SA表示手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA接在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；接在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。~~，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36一起讀圖。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)控制僅當(dāng)檢查故障原因時(shí)臨時(shí)用到，方便電機(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的線圈得電，KM1的常開觸點(diǎn)閉合從而完成自鎖功能，電機(jī)M1能夠穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。同理，可以通過按下SBSB5啟動(dòng)電機(jī)MM3，通過按下SBSB6來使電機(jī)MM3停機(jī)。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時(shí)作為自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的運(yùn)行工況由PLC程序控制。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，完成KMKM1的電氣互鎖。水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7點(diǎn)亮；，變頻器故障報(bào)警指示燈HL8點(diǎn)亮；，白天供水模式指示燈HL9點(diǎn)亮；，報(bào)警電鈴HA響起；，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。小區(qū)的用水量在白天相對(duì)較大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；小區(qū)用水量在夜晚相對(duì)較小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(3) 顧及節(jié)能和水泵壽命之間的諸多因素，水泵切換按照先啟先停、先停先啟的順序。(5) 系統(tǒng)要有具備完善的預(yù)警系統(tǒng)。表35 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名 稱代 碼地址編號(hào)輸入信號(hào)供水模式信號(hào)(1白天，0夜間)SA1水池水位上下限信號(hào)SLHL變頻器報(bào)警信號(hào)SU試燈按鈕SB7壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0 續(xù)表35名 稱代 碼地址編號(hào)輸出信號(hào)1泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL11泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL22泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL32泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL43泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL53泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KMHL6輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7變頻器故障報(bào)警指示燈HL8白天模式運(yùn)行指示燈HL9報(bào)警電鈴HA變頻器頻率復(fù)位控制KA變頻器輸入電壓信號(hào)UfAQW0結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖36和PLC的I/O端口分配表35，畫出PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖37所示： 圖37 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。圖37 只是簡(jiǎn)單的表明PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)硬件的連接確定之后，控制性能主要通過軟件部分完成，考慮到泵站的控制需求，以下部分為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的分析：(1) 以“恒壓”為宗旨出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為維持恒定水壓，當(dāng)水壓下降時(shí)需升高變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)管網(wǎng)水壓，且在一臺(tái)水泵正常工作未能達(dá)到恒壓需求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。為判斷變頻器工作頻率是否達(dá)到上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)導(dǎo)致短暫的頻率達(dá)到上限值的情況，在程序分析工程中應(yīng)采用時(shí)間濾波。在該設(shè)計(jì)中，控制需求中規(guī)定每一臺(tái)泵持續(xù)變頻工作不許超過3小時(shí)，所以每當(dāng)需要啟動(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可行的。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)系統(tǒng)中使用“泵號(hào)加1，逢4變1”的方式實(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)完成工頻泵的輪換工作。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣做的有點(diǎn)能夠縮短掃描時(shí)間。主程序的需要進(jìn)行過程相對(duì)較多，如泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合、泵切換信號(hào)的生成及報(bào)警處理等都在主程序。在白天系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%，在晚上系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。表41 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 續(xù)表41器件地址功 能器件地址功 能VD108PID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VD250PID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 PLC程序設(shè)計(jì)PLC控制程序選取SIEMENS公司研發(fā)的STEP 7MicroWINV40編程軟件開發(fā)。語句表(STL)語言相似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，尤其適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)人員，它運(yùn)用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)十分相近，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系利用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式大體相同。PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻/工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成（1）系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)進(jìn)行工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的目前工作狀態(tài)進(jìn)行查看，若出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、PID控制等各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予相應(yīng)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(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。（3）水泵的軟啟動(dòng)程序增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備工作，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。（4）各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相似的，現(xiàn)在只以1水泵為例進(jìn)行講解。（5）各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的工頻運(yùn)行不但取決于變頻泵的泵號(hào)，還取決于工頻泵的臺(tái)數(shù)。產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖后，若當(dāng)前2泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當(dāng)前3泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點(diǎn)閉合，1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí)KM1常閉觸點(diǎn)打開防止KM2線圈得電，從而實(shí)現(xiàn)變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號(hào)和工頻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號(hào)。主程序流程圖如圖41所示。其中圖42是以2泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖43是以2泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。如圖41所示。圖41 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖圖42 2泵變頻運(yùn)行控制流程圖 圖43 2泵工頻運(yùn)行控制流程圖 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)(1) 初始化子程序SBR_0首先初始化變頻運(yùn)行的上下限頻率，在第二章水泵切換分析中已說明水泵變頻運(yùn)行的上下限頻率分別為50HZ和20HZ。在初始化PID控制的各參數(shù)（、），各參數(shù)的取值將在下一節(jié)中詳細(xì)介紹。具體程序梯形圖如圖34所示。具體程序梯形圖如圖35所示。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC。PID控制在自動(dòng)控制系統(tǒng)中技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。PID控制器采取的是一種線性算法，它表示給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)： （）控制量由比例P、積分I和微分D 運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故而稱之為PID控制器。 圖46 PID控制原理框圖PID控制規(guī)律為： （）式中：為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。偏差只要一產(chǎn)生，控制器便會(huì)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)偏差，系統(tǒng)偏差不能被完全消除，系統(tǒng)偏差與比例系數(shù)成反比關(guān)系，系統(tǒng)不穩(wěn)定是由于比例系數(shù)過大造成的。偏差只要存在控制就會(huì)產(chǎn)生變化，直至系統(tǒng)偏差改變到零。積分作用的強(qiáng)弱反比與積分時(shí)間常數(shù)。該信號(hào)的作用加快系統(tǒng)的反應(yīng)速度，縮短控制時(shí)間。自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)PID控制算法具有更大的靈活性和可靠性。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID位置控制算法表達(dá)式： （）式中：為采樣周期；為采樣序號(hào)；為第時(shí)刻的偏差信號(hào)；為第時(shí)刻的偏差信號(hào)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成： （）式中：為系統(tǒng)的總增益，為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖47所示。該系統(tǒng)利用單臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)3臺(tái)水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，摒棄了原有的自耦降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)控制系統(tǒng)