【正文】 L 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 22 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的 R、 S、 T端，變頻器的輸出端 U、 V、 W通過(guò)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(guò)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(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)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(kāi)。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(guò)電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)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(lái)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(duì)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(kāi)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)。 23 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。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)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(cè)與維修。 SB1 按下時(shí)由于 KM2常閉觸點(diǎn)接 24 通電路 使得 KM1 的線圈得電， KM1 的常開(kāi)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(guò)按下 SB SB5 啟動(dòng)電機(jī) M M3，通過(guò)按下 SBSB6 來(lái)使電機(jī) M M3停機(jī)。單刀雙擲開(kāi)關(guān) SA打至 2端時(shí)開(kāi)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(kāi)，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(kāi)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 [7]。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(zhǎng)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(duì)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。 25 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(cè)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(kāi)關(guān) SA1 用來(lái)控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入 ；液位變送器把測(cè)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(kāi)關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)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 27 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。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表 (STL)語(yǔ)言、梯形圖 (LAD)語(yǔ)言、功能塊圖 (FWD)語(yǔ)言 [8]。梯形圖 (LAD)語(yǔ)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(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形 圖可以看作是 PLC的高級(jí)語(yǔ)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(jì)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(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò) PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。 (1) 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(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 28 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，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同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。 (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，則 置 1， KM1 線圈得電，使得 KM1 常開(kāi)觸點(diǎn)閉合， 1水泵工頻運(yùn)行，同時(shí) KM1 常閉觸點(diǎn)打開(kāi)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(kāi)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)，相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。 29 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) [9]。 主程序流程圖如圖 所示。其中圖 是以 2泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖，圖 是以 2泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。 30 開(kāi) 始調(diào) 用 初 始 化子 程 序設(shè) 置 兩 種 模 式下 水 壓 給 定 值設(shè) 定 變 頻 泵 號(hào)變 頻 器 頻率 達(dá) 上 限定 時(shí) 5 m i n , 濾 波YN工 頻 泵 數(shù) 加 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動(dòng) 脈 沖變 頻 器 頻率 達(dá) 下 限Y定 時(shí) 5 m i n , 濾 波N工 頻 泵 數(shù) 減 1 ， 產(chǎn)生 變 頻 啟 動(dòng) 脈 沖是 否 增 泵 或 倒 泵復(fù) 位 變 頻 器 ，變 頻 泵 號(hào) 加 1YN調(diào) 整 變 頻 泵號(hào) ， 遇 4 變 1產(chǎn) 生 當(dāng) 前 泵 工 頻運(yùn) 行 ， 下 臺(tái) 泵 變頻 運(yùn) 行 啟 動(dòng) 脈 沖變 頻 泵 單 獨(dú) 運(yùn)行 時(shí) 間 達(dá) 3 hYN產(chǎn) 生 倒 泵 信 號(hào)1 、 2 、 3 泵 變 頻運(yùn) 行 控 制1 、 2 、 3 泵 工 頻運(yùn) 行 控 制水 池 水 位 越 限YN水 位 越 限 報(bào) 警變 頻 器 故 障YN變 頻 器 故 障 報(bào) 警是 否 有 報(bào) 警YN變 頻 泵 號(hào) 置 1工 頻 泵 數(shù) 置 0產(chǎn) 生 故 障 結(jié) 束脈 沖程 序 結(jié) 束 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖 31 是 否 有 變 頻啟 動(dòng) 脈 沖 信 號(hào)YN變 頻 泵 號(hào)是 否 為 2YN系 統(tǒng) 是 否 無(wú) 故 障YN是 否 無(wú) 變 頻 器復(fù) 位 脈 沖YN2 泵 是 否工 頻 運(yùn) 行NY2 泵 變 頻 運(yùn) 行開(kāi) 始結(jié) 束開(kāi) 始是 否 有 工 頻運(yùn) 行 啟 動(dòng) 脈 沖YN幾 號(hào) 泵變 頻 運(yùn) 行 ？工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 0工 頻 泵 數(shù)是 否 大 于 13 泵變 頻 運(yùn) 行1 泵變 頻 運(yùn) 行YNYN2 泵 是 否變 頻 運(yùn) 行NY2 泵 工 頻 運(yùn) 行結(jié) 束 圖 2泵變頻運(yùn)行控制流程圖 圖 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， 一般 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)（ Kc、 Ts、 Ti、 Td），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 所示。具體程序梯形圖如圖 所示。它的原理如圖所示：比 例積 分微 分驅(qū) 動(dòng) 控 制 對(duì) 象y ( t )U ( t )++e ( t )r ( t )+ 圖 PID 控制 原理圖 35 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 y(t)構(gòu)成的控制 偏差 [10] e(t)=y(t)一 r(t) （ 41） 將偏差 e(t)的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)。 微分部分 (D)可以對(duì)輸入的變化趨勢(shì)做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無(wú)關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個(gè)零點(diǎn)，如果使用不當(dāng)會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會(huì)影響其他的調(diào)節(jié)作用。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。 恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)過(guò)程分析 恒壓供水的目的就使要保證供水能力 QG適應(yīng)用水需求 QU 變化。因此，可根據(jù)壓力的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力和用水需求之間的平衡。其實(shí)現(xiàn)方法是，首先根據(jù)用戶對(duì)水壓的要求，給 PID 控制器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 4— 20mA 的模擬電流信號(hào)反饋給 PLC 內(nèi)置的PID 控制器， PID 控制器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動(dòng)態(tài)平衡，維持水壓不變。 2）用水量增加時(shí)：當(dāng)用水量增加時(shí)，用水需求大于供水能力，水壓下降，壓力反饋信號(hào) y減小，偏差 e=yr0， PID 輸出的控制增量Δ u0，變頻器輸出頻率上升，水泵轉(zhuǎn)速升高，增加供水能力，最后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。 PID 控制器的應(yīng)用 通過(guò)控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。也就是使反饋量與目標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。在恒壓供水中常見(jiàn)的 PID 控制器的控制形式主要有兩種 ： 硬件型，即通用 PID 控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P、 I、D參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。 本設(shè)計(jì)中選用連續(xù) PID 控制器 FB41， 壓力設(shè)定值與反饋值進(jìn)行運(yùn)算，將出口壓力控制到設(shè)定值附近。系統(tǒng)包括可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等。壓力傳感器采樣 管網(wǎng)輸出點(diǎn)的壓力 信號(hào)， 壓力傳感器輸出的是 4~20mA 的電信號(hào)，將這個(gè)輸出與 PLC 的模擬量輸入端相連，同時(shí) 變頻器輸 出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給 PLC 的 PID 模塊， PLC 根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng) PID 運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī) 的 啟動(dòng) 、停止， 工頻和變頻之間的切換 進(jìn)行控制。 . 研究展望 本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、系統(tǒng)的 元件 選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和 PLC 軟件編程等。通過(guò)泵號(hào)管理程序 ,實(shí)現(xiàn)泵號(hào)自動(dòng)切換 ,使每臺(tái)水泵工作狀況基本相同 ,提高設(shè)備利用率并減少維修費(fèi)用 。實(shí)際運(yùn)行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動(dòng)化程度高、便于維護(hù)和高節(jié)能性等特點(diǎn) ,具有很大的應(yīng)用價(jià)值。如對(duì)系統(tǒng)采用基于 GPRS 的無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng) 進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等。所以變頻恒壓供水技術(shù)在逐走向成熟的過(guò)程中，仍然有必要對(duì)其進(jìn)行更深入