【正文】 置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速 技術(shù) 的廣泛應(yīng)用 ，變頻器在其中扮演著舉足輕重的角色。 目前，變頻調(diào)速給水在建筑給水中應(yīng)用越來越廣，其主要原因是 : （ 1） 變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。變頻器已在國民經(jīng)濟(jì)各部門廣泛使用。變頻應(yīng)用大大提高 了 工藝的高效性 ，使 變速不依賴于機械部分，同時可以比原來的定速運行電機更加節(jié)能。 變頻器頻率給定方式 有 3 種方式可以完成變頻器的頻率設(shè)定： （ 1）面板設(shè)定方式 通過面板上的按鍵完成頻率給定。外接數(shù)字量信號接口可用來設(shè)定電動機的旋轉(zhuǎn)方向，以及完成分段頻率的控制。 由模擬量進(jìn)行頻率設(shè)定時，給定頻率與對應(yīng)的給定信號 X（電壓或電流信號）之間的關(guān)系曲線 )(Xffx ? ,稱做頻率給定線。 （ 3）通信接口方式 可以通過通信接口 ，如 RS48 PROFIBUS 等，來進(jìn)行遠(yuǎn)程的頻率給定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional (比例 )、Integral (積分 )、 Derivative (微分 )控制方式， 即 PID 控制。 PID 控制器 作為 一種線性控制器，它是對 設(shè)定 值r(t)和實際輸出值 y(t)之間的偏差 e(t)： ? ? ? ? ? ?trtyte ?? （ ） 經(jīng)比例 (P) 、積分 (I) 和微分 (D) 運算后 經(jīng) 線性組合構(gòu)成控制量 u(t)，對被控對象進(jìn)行控制， 所以 稱 之為 PID 控制器。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 r ( t )e ( t )比 例積 分++++u ( t )水 泵 管 網(wǎng)y ( t )－實 際 壓 力給 定 壓 力頻 率轉(zhuǎn) 速壓 力 變 送 器微 分 圖 PID 控制原理圖 PID 控制規(guī)律： （ ） 式中： Kc 為比例系數(shù)； Ti 為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù)。 (2) 積分環(huán)節(jié)：只要偏差存在，控制就 會 發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差 變 為零。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用 則 越弱，引起系統(tǒng)超調(diào)量 增大 ，反之越強，引起系統(tǒng)振蕩。微分環(huán)節(jié)主要 作用是 控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。經(jīng)驗整定法可先設(shè)置一個比例度，確定出系統(tǒng)振蕩周期 Tp，然后根據(jù)被控過程的特點，當(dāng)采用 PI 控制時，設(shè)置 Ti=（ ~1） Tp；對溫度、成分等被控過程，可采用 PID 控制，設(shè)置 Td=（ ~）Ti。 ? ? ? ?? ? ???????? ???? sTsTKSE SUSG diPc11? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?????? ??? ? td tdeTtdteTteKty dic1 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 表 被控過程特點和控制器參數(shù) 項目 流量、液體壓力 氣體壓力 液位 溫度、蒸汽壓力 成分 時滯 容量數(shù) 周期 噪聲 無 多容量 1~10s 有 無 單容量 0 無 無 單容量 1~10s 有 變動 3~6 Min~h 無 恒定 1~100 Min~h 往往存在 比例度 積分作用 微分作用 100%~500% 50%~200% 重要 不用 0~5% 不必要 不必要 5%~100% 少用 不用 10%~100% 用 重要 100%~1000% 重要 可用 （ 2） 擴充臨界比例法 這是一種基于系統(tǒng)臨界振蕩參數(shù)的閉環(huán)控制法，實際上也是模擬控制器中采用的穩(wěn)定邊界法的推廣，用來整定數(shù)字 PID 算式中的 Ts、 Kc、 Ti 和 Td。 2）逐漸增大比例增益 Kc，直到控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定邊界達(dá)到等幅振蕩，此時的比例增益為臨界比例增益 Kcr，振蕩周期稱為臨界振蕩周期 Tcr?？刂贫仁且阅M控制器為基礎(chǔ)，定量衡量計算機數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制器對同一對象的控制效果。 5) 按求得的參數(shù)值，在計算機控制系統(tǒng)中設(shè)定運 行，并觀察控制效果。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 表 擴充臨界比例帶法 PID 參數(shù)整定 控制度 調(diào)節(jié)規(guī)律 Ts/Tcr Kc/Kcr Ti/Tcr Td/Tcr PI PID PI PID PI PID PI PID 模擬控制器 PI PID （ 3）擴充響應(yīng)曲線法 擴充響應(yīng)曲線法是模擬控制器響應(yīng)曲線補充，是一種開環(huán)整定方法。 PLC 及其擴展模塊選型 PLC 特點及性能指標(biāo) （ 1） PLC 的 定義 可編程控制器，簡稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術(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)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，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械或生產(chǎn)過程。 。 。 、重量輕、功耗低。與其他控制方式相比，性價 比較高。 ，功能更改靈活。 。 。限定了計算機發(fā)揮運算功能、完成復(fù)雜控制的能力。 。 可編程序控制器（ PLC）的選型 機型的選擇： PLC 機型的選擇應(yīng)是在滿足控制要求的前提下，保證可靠、維護(hù)使用方便以及最佳的性能價格比。 (2) 功能強弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項目， 由于現(xiàn)代 PLC 具 有足夠高的速度處理大量的 I/O數(shù)據(jù)和解算梯形圖邏輯，因此對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說， PLC 的響應(yīng)時間并不是主要的問題 ，所以對 速度要求不高，一般選用低檔的 PLC，如西門子公司的 S7200 系列機。由于目前 I/O 點數(shù)較多的 PLC 價格也較高，若備用的 I/O 點是數(shù)量太多，將使成本增加。 表 S7200 PLC 的各種 CPU 特性比較 CPU 型號 外形尺寸 /mm 數(shù)字量輸入 數(shù)字量輸出 擴展模塊數(shù)量 CPU221 90? 80? 62 6 4 0 CPU222 90? 80? 62 8 6 2 CPU224 ? 80? 62 14 10 7 CPU226/CPU226XM 190? 80? 62 24 16 7 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能 （具體 I/O 分配見下文 ） ， 考慮到 I/O 分配留有一定裕量，設(shè)計 選用西門子 S7200 系列的 CPU226 型。 (2) SIMENS S7200 可編程序控制器是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 (4) 具有 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲空間、 6 個獨立的 30kHZ 的高速計數(shù)器、兩路獨立的 20kHZ 的高速脈沖輸出、 PID 控制器、 1 個 RS485 通信 /編程口、點對點接口 PPI 通信協(xié)議、多點接口 MPI 通信協(xié)議和自由通信口，絕對滿足設(shè)計需求。 (6) 大范圍的集成功能使得它的功能非常強勁。 擴展模塊選型 為了擴展 I/O 點和執(zhí)行特殊的功能， S7200 系列 PLC 可以連接擴展模塊（ CPU221除外）。本次設(shè)計中需要擴展一個采集處理壓力信號的模擬信號，應(yīng)擴 展一個模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊。 (1) EM231： 4 路 12 位模擬量輸入（ AI）模塊 1) 差分輸入，輸入范圍：電壓： 0~10V、 0~5V、 ? 和 ? 5V；電流： 0~20mA。 3) 最大輸入電壓 30VDC，最大輸入電流 32mA。 2) 數(shù)據(jù)字格式：電壓： 320xx~+320xx；電流 0~+320xx。 (3) EM235：模擬量混合輸入 /輸出 (AI/AO)模塊， 1) 4 路模擬量輸入，一路模擬量輸出。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 3) 轉(zhuǎn)換時間小于 250us。 由于實際中需要模擬量輸 入點 1 個，模擬量輸出點 1 個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是 EM235， 該模塊 具 有 4 個模擬輸入 (AIW)通道 ， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。 針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，EM235 模塊可以通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。變頻器須根據(jù)水泵電機的電流和功率進(jìn)行選擇。根據(jù)不同控制功能，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。 其 采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有完善的電動機 和 變頻器保護(hù)功能，內(nèi)置 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可根據(jù)用戶特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行自定義。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。 （ 1） PLC 部分設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)使用 CPU226（此部分暫不做分析）和模擬量擴展模塊 EM235 AIW0 EM235 模擬量輸入通道 1，接一精密電位器； 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 AQW0 EM235 模擬量輸出通道 1，接 MM440 的端口 3 和 4。首先按下 P 鍵對變頻器進(jìn) 行復(fù)位，使變頻器的參數(shù)值回到出廠時的狀態(tài)。然后設(shè)置變頻器控制端口開關(guān)操作控制參數(shù)，如表 所示 A+ A M0 V0 MM440 3 9 4 18 U V W M 3~ 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 表 設(shè)置電動機參數(shù)表 參數(shù)表 設(shè)置值 說明 P003 1 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 P0100 1 快速調(diào)試 P010 0 功率以 KW 為單位，頻率為 50HZ P0304 380 電動機額定電壓（ V） P0305 電動機額定電流（ A） P0307 電動機額定功率（ KW） P0310 50 電動機額定頻率 P0311 電動機額定轉(zhuǎn)速（ r/min） 表 控制端口開關(guān)開關(guān)操作控制參數(shù) 參數(shù)號 設(shè)置值 說明 P0003 1/2 用戶訪問級為標(biāo)準(zhǔn)級 /擴展級 P0004 命令和數(shù)字 I/O P0700 2 命令源選擇“由端子排輸入” P0701 1 數(shù)字輸入端 1 接通正轉(zhuǎn)，斷開停止 P0702 2 數(shù)字輸入端 2 接通反轉(zhuǎn)，斷開停止 P1000 2 頻率設(shè)定值選擇為“模擬輸入” P1080 電動機運行的最低頻率（ HZ） P1082 50 電動機運行的最高頻率（ HZ） P1120 斜坡上升時間（ s） P1121 斜坡下降時間（ s） 水泵機組的選型 水泵機組的選型原則 供水系統(tǒng)在運行時 是依 靠水泵抽水來實現(xiàn)的， 水泵作為 整個系統(tǒng)的執(zhí)行 機構(gòu)， 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 因此，水泵 型號 選擇 是否 合適 將 影響系統(tǒng)運行節(jié)能高效 、 安全穩(wěn)定的重要因素。 所謂揚程 即 所需揚程，并不是 所需 提水高度，明確這一點對選擇水泵 相當(dāng) 重要。選擇水泵時應(yīng)使銘牌上的揚程最好與所需揚程接近，一般偏差不超過 20％，這樣的情況下，水泵的效率最高，也比較節(jié)能，使用會更經(jīng)濟(jì)。 水泵的流量，即出水量，一般不宜選得過大 ，否則會增加購買水泵的費用。 實際使用時，只能按標(biāo)牌所注揚程和流量的 80%～ 90%估算，水泵配套動力的選擇，可按標(biāo)牌上注明的功率選擇， 但 為了使水泵啟動迅速和使用安全，動力機的功率也可略大于水泵所需功率，一般高出 10%左右為宜 。 （ 5） 根據(jù)實際供水系統(tǒng)的規(guī)模