畢業(yè)設(shè)計--基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在城市化進(jìn)程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小區(qū)，那么小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)就顯得尤為重要。而且隨著城市用水量不斷增加，對供水系統(tǒng)的建設(shè)提出了更高的要求。供水的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活和工作。本系統(tǒng)是針對居民生活用水而設(shè)計的一套由變頻器、PLC、水泵機(jī)組等設(shè)備組成的自動變頻恒壓供水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將

2、PLC、變頻器、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，并發(fā)揮各自優(yōu)勢，能夠最大程度滿足需要，具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡單和高效節(jié)能等特點(diǎn)。該系統(tǒng)對變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)進(jìn)行預(yù)置，通過壓力傳感器對水壓的反饋構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；PID模塊根據(jù)用水量的變化調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，實現(xiàn)恒壓供水，并達(dá)到有效節(jié)能的目的。本文首先介紹了采取變頻調(diào)速方式實現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能原理；其次，對水泵機(jī)組的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換的條件、水泵由變頻

3、轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過程進(jìn)行分析，著重研究并提出了基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的方案，并給出了硬件設(shè)計和PLC控制程序設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In today's rapid urbanization, urban li

4、ving is mainly living quarters, then the construction of residential water supply system is particularly important. And with the growing urban water demand, water supply systems, the proposed higher requirements. Economi

5、cs of water supply, reliability and stability to the district residents directly affected the normal life and work.The system is designed for household water set by the frequency converter, PLC, water pump and other equi

6、pment consisting of a</p><p>　　Keywords: PLC; frequency control; constant pressure water supply目 錄</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 研究背景1</p><p>　　1.

7、2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 供水系統(tǒng)安全性討論3</p><p>　　1.4 本文的設(shè)計思想3</p><p>　　2 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定5</p><p>　　2.1 調(diào)速方式的比較與選擇5</p><p>　　2.2 控制系統(tǒng)方案8</p>

8、<p>　　2.3 供水系統(tǒng)的控制流程12</p><p>　　2.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析13</p><p>　　3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計15</p><p>　　3.1 PLC選型及接線15</p><p>　　3.1.1 PLC選型15</p><p>　　3.1.2

9、PLC的接線及I/O分配19</p><p>　　3.2 水泵機(jī)組選型21</p><p>　　3.3 變頻器選型及接線22</p><p>　　3.3.1 變頻器選型22</p><p>　　3.3.2 變頻器的接線27</p><p>　　3.4 PID調(diào)節(jié)器27</p><p>

10、;　　3.5 壓力傳感器29</p><p>　　3.6 系統(tǒng)主電路設(shè)計30</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計32</p><p>　　4.1 PLC控制32</p><p>　　4.1.1 PLC程序流程圖32</p><p>　　4.1.2 手動運(yùn)行33</p><p>　　

11、4.1.3 自動運(yùn)行33</p><p>　　4.2 編程及介紹35</p><p>　　4.2.1 總程序的順序功能圖35</p><p>　　4.2.2 自動運(yùn)行順序功能圖35</p><p>　　4.2.3 手動模式順序功能圖37</p><p>　　4.2.4 系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計38</p&g

12、t;<p>　　5 總結(jié)與展望40</p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)硬件總圖41</p><p>　　附錄B 系統(tǒng)梯形圖42</p><p><b

13、>　　緒論</b></p><p><b>　　研究背景</b></p><p>　　在城市化進(jìn)程迅速的今天，城市的居住形式主要是生活小區(qū)，那么小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)就顯得尤為重要。供水的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、穩(wěn)定性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活和工作。</p><p>　　假定一棟樓有10層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用

14、戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費(fèi)。因此，自來水廠通過水泵加壓后，必須恒壓供給每一個用戶。傳統(tǒng)的供水方式如水塔高位水箱供水，單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等都存在不同程度浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣

15、泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出。應(yīng)用變頻器恒壓供水，因為水箱能大幅度減小，因此能有效地減小樓房的負(fù)載，由于減小了供水水箱和樓房的負(fù)荷，何以節(jié)約工程造價，相應(yīng)地也擴(kuò)大了樓房的面積。</p><p>　　由于采用了變頻調(diào)速，減小了供水水泵的頻繁啟動，可以使水泵工作在高效狀態(tài)，從而可以節(jié)約能源，減小對電網(wǎng)的沖擊。由于電動機(jī)所消耗的功率與轉(zhuǎn)速的立方成

16、正比，因此可以獲得較好的節(jié)能效果。二是在開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。三是用變頻器進(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。</p><p>　　變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

17、的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(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)計變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等尤其重要。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等

18、方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用PLC及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)：有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶

19、的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)（森蘭變頻器）也推出了廈壓供水專用變頻器，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。</p><p>　　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)計中

20、，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)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。</p><p><b>　　供水系統(tǒng)安全性討論</b></p><p>　　影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應(yīng)，所謂的水錘效應(yīng)就是在極短時間內(nèi)，因水

21、流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。而采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處：</p><p>　　(1)產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是：水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速

22、，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。</p><p>　　(2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長。</p><p>　　(3)變頻調(diào)速的軟啟動器避免了電機(jī)和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。</p><p>　　(4)

23、減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。</p><p><b>　　本文的設(shè)計思想</b></p><p>　　本設(shè)計針對恒壓供水控制系統(tǒng)包括軟硬件方面在工業(yè)實際應(yīng)用中具體作用進(jìn)行詳細(xì)的介紹。系統(tǒng)將PLC、變頻器（含PID）、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，并發(fā)揮各自優(yōu)勢，這個操作方便的自動控制系統(tǒng)，以變頻調(diào)速為核心，以智能供水控制

24、系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機(jī)時的水錘效應(yīng)。使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析等方面的工作量。變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力

25、，最終達(dá)到高效率優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。</p><p>　　系統(tǒng)的理論分析及方案的確定</p><p>　　調(diào)速方式的比較與選擇</p><p>　　供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線，如圖2-1所示。由圖2-1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。

26、由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程越大，流量也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是

27、揚(yáng)程與供水流量間的關(guān)系。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2-1中交點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。</p><p>　　圖2-1 供水系統(tǒng)的基本特性曲線</p><p>　　對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。如前所述，流量的大小取

28、決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到在動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系有關(guān)：</p><p>　　供水能力＞用水需求，則壓力上升；</p><p>　　供水能力＜用水需求，則壓力下降；</p><p>　　供水能力＝用水需求，則壓力不變。</p><p>　　可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體反映在

29、流體壓力的變化上。因此，壓力可以用來作為控制流量大小的參變量。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的

30、實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。</p><p>　　根據(jù)電機(jī)學(xué)理論,交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： </p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中：f 為定子的電源或穩(wěn)壓器頻率； p為極對數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；s 為轉(zhuǎn)差率。</p><p>

31、;　　從上式可知，當(dāng)極對數(shù)p不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速刀與定子電源頻率戚正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機(jī)的調(diào)速。在供水系統(tǒng)中，通常

32、以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而

33、改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展、完善，變頻調(diào)速所具有的調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。而發(fā)展到現(xiàn)在為止交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)

34、，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并自動適應(yīng)變負(fù)荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式可節(jié)電40％～60％，節(jié)水15％～30％，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。</p><p>

35、<b>　　控制系統(tǒng)方案</b></p><p>　　該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由于PLC+變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的

36、要求。同時由于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本文采用PLC與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實現(xiàn)恒壓供水[6]。</p><p>　　整個

37、系統(tǒng)由一臺PLC，一臺變頻器，水泵機(jī)組（本系統(tǒng)設(shè)計為3臺），一個壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構(gòu)成。各部分功能如下：</p><p>　?。?）水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水；</p><p>　?。?）安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號；</p><p>　?。?）變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量；</p><

38、;p>　?。?）PLC用于水泵的邏輯切換、控制等；</p><p>　?。?）外圍輔助電路可以當(dāng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)供水。</p><p>　　系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制3臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時對運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行傳輸，處理。</p>

39、<p>　　通過壓力傳感器檢測管道壓力信號不斷反饋給變頻器，有變頻器自動調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時還不能滿足要求時由PLC自動把那臺水泵切換到工頻運(yùn)行，把變頻器自動切換到下一臺水泵使其軟啟動運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時在自動進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺數(shù)，實現(xiàn)自動控制。系統(tǒng)設(shè)計時考慮到水泵切換時電機(jī)的自感電動勢現(xiàn)象，各種連鎖保護(hù)及報警、應(yīng)急措施。</p><p><b>　　

40、系統(tǒng)總體框圖如下：</b></p><p>　　圖2-2 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、人機(jī)界面、以及報警裝置等部分組成。</p><p><b>　　(1)控制系統(tǒng)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個部分

41、。</p><p>　?、貾LC系統(tǒng):它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。</p><p>　?、谧冾l器:它是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速

42、泵的轉(zhuǎn)速控制。</p><p>　?、垭娍卦O(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。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換等。</p><p><b>　?。?）信號檢測</b></p><p>　　在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測水壓信號反饋信息和系統(tǒng)報警信號。</p><p>　?、偎畨盒?/p>

43、號:反映了用戶管網(wǎng)的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號。</p><p>　?、趫缶盘?監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，為開關(guān)量信號。</p><p><b>　?。?）執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是一組水泵，它們協(xié)調(diào)工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵工作，使得用戶管網(wǎng)的水壓保持恒定。</

44、p><p><b>　?。?）報警裝置</b></p><p>　　任何一個自動控制系統(tǒng)，都離不開報警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止因水泵過載、變頻器異常、電網(wǎng)出現(xiàn)大波動、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)PLC收集判斷，進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動作控制，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定。</p><p><b>

45、　　供水系統(tǒng)的控制流程</b></p><p>　　系統(tǒng)流程圖如圖2-3所示。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器將主水管網(wǎng)壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)PID運(yùn)算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為PLC進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。</p><p>　　圖2-3 變頻調(diào)速恒壓供

46、水系統(tǒng)流程圖</p><p>　　合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動、自動開關(guān)打到自動上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預(yù)先設(shè)定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運(yùn)行頻

47、率到達(dá)上限，會將頻率到達(dá)信號送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動下1臺泵變頻運(yùn)行。此時PID會繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。</p>

48、<p>　　增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3泵。開始時，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒到達(dá)設(shè)定

49、值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。</p><p>　　減泵工作過程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當(dāng)將最后一臺正在運(yùn)行的水泵置于低速運(yùn)

50、行。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析</p><p>　　在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)行切換，才

51、能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機(jī)組不過于頻繁的切換。</p><p>　　盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時，只能在50Hz時進(jìn)行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)50Hz時，即使實際供

52、水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是0Hz。其實，在實際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率

53、下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個頻率遠(yuǎn)大于0Hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運(yùn)行</p><p>　　在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實需要機(jī)組進(jìn)行切換的時候才進(jìn)行機(jī)組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力

54、的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時的時間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實際的機(jī)組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p><b>　　PLC選型及接線</b></p>&

55、lt;p><b>　　PLC選型</b></p><p>　　PLC即可編程序控制器，是一個以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服

56、了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機(jī)編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐[1

57、]。</p><p>　　PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量至關(guān)重要的。PLC選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護(hù)使用方便及最佳的性能價格比。</p><p>　　目前市場上的PLC種類繁多，近年來，從美國、日本、德國引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠家組裝或自行開發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個系列，上百種型號。其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、

58、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有自己的特點(diǎn)，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個方面來考慮。世界各國生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的PLC雖然外觀各異，但作為工業(yè)控制計算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)都大體相同。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍設(shè)備

59、等幾大部分構(gòu)成。PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在選擇PLC的型號時一般從以下幾個方面來考慮：</p><p>　　(1)功能要適當(dāng)。PLC的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要。控制系統(tǒng)需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的PLC，當(dāng)然要兼顧維修、備件的通用性。</p>&l

60、t;p>　　(2)I/O點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)。準(zhǔn)確地統(tǒng)計出被控設(shè)備對輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總需要量是PLC選型的基礎(chǔ)。把各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列出，然后在實際統(tǒng)計出I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上加15%～20%的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。</p><p>　　(3)充分考慮輸入輸出信號的性質(zhì)。除決定好I/O點(diǎn)數(shù)外，還要注意輸入輸出信號的性質(zhì)、參數(shù)等。</p><p>　　(4)估算系統(tǒng)對PLC響應(yīng)時間的要求。

61、對于大多數(shù)應(yīng)用場合來說，PLC的響應(yīng)時間不是主要的問題。響應(yīng)時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。PLC的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久時間小于掃描周期的輸入信號。為此，需要選取掃描速度高的PLC，像FX2N型PLC能處理速度達(dá)0.48µs/步的順控指令。</p><p>　　(5)根據(jù)程序存儲器容量選型。PLC的程序存儲器容量通常以字或步為單位。PLC的程序步是由一個字構(gòu)成的，即每個程

62、序步占一個存儲器單元。用戶程序所需存儲器容量可以預(yù)先估算。對于開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的字?jǐn)?shù)等于I/O信號總數(shù)乘以8。</p><p>　　關(guān)于PLC的選型問題，當(dāng)然還應(yīng)考慮到PLC的聯(lián)網(wǎng)通信功能、價格因素。系統(tǒng)可靠性也是考慮的重要因素。</p><p>　　(6)編程器與外圍設(shè)備的選擇。小型PLC控制系統(tǒng)通常都選用價格便宜的簡易編程器。如果系統(tǒng)大，用PLC多，選一臺功能強(qiáng)、編程

63、方便的圖形編程器也不錯，如果有現(xiàn)成的個人計算機(jī)，也可選用能在個人計算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。</p><p>　　FX2N系列PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，具有較高的性能價格比，應(yīng)用廣泛。三菱的FX2N系列PLC適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。FX2N系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。由于它緊湊

64、的設(shè)計、良好的擴(kuò)展性、低廉的價格、豐富的功能模塊以及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，使得FX2N可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求，F(xiàn)X2N可以用模塊上的電位器來改變它對應(yīng)的特殊寄存器中的數(shù)值，可以實現(xiàn)更該程序運(yùn)行中的一些參數(shù)，如定時器/計數(shù)器的設(shè)定值、過程量的控制參數(shù)等。實現(xiàn)時鐘可用于對信息加注時間標(biāo)記，記錄及其運(yùn)行時間或?qū)^程進(jìn)行時間控制。選用 PLC 時必須從其技術(shù)指標(biāo)、硬件配置等方面綜合考慮。FX2N系列PLC 的技術(shù)指標(biāo)包括一般技術(shù)指標(biāo)、電源

65、技術(shù)指標(biāo)、輸入技術(shù)指標(biāo)、輸出技術(shù)指標(biāo)和性能技術(shù)指標(biāo)等；FX2N系列PLC 的硬件配置包括基本單元、擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊、模擬量I/O 模塊、各種特殊功能模塊及外圍設(shè)備等。</p><p>　　三菱FX2N的主要特點(diǎn)：較高的可靠性；豐富的指令集；豐富的內(nèi)置集成功能；實時特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力 。</p><p>　　PLC容量的選擇：PLC容量主要是指是PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適

66、當(dāng)裕量。由于目前I/O點(diǎn)數(shù)較多的PLC價格也較高，若備用的I/O點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。根據(jù)被控對象的輸入信號和輸出信號的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常I/O點(diǎn)數(shù)按實際需要的考慮留10%～15%點(diǎn)數(shù)備用量。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，水泵M1、M2，M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的6個輸出點(diǎn)，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的1個輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需1個輸出信號控制，報警器的控制需要

67、1個輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?個輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點(diǎn)，手動控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需1個輸入點(diǎn)，檢測電機(jī)是否過載需3個輸入點(diǎn)，共需15個輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)量共為24個點(diǎn)。</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，本系統(tǒng)選用FX2N-32MR型PLC。</p><p&g

68、t;　　PLC的接線及I/O分配</p><p>　　圖3-2 PLC的接線圖</p><p>　　表3-1 PLC I/O分配</p><p>　　Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行。</p>

69、<p>　　X0接起動按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口，X4接M1的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。</p><p>　　為了防止出現(xiàn)某臺電動機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計了電氣互鎖。在同時控制M1電動機(jī)的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過FU和OL輸出至PLC的X2與X3輸入端作為P

70、LC增泵減泵控制信號。</p><p><b>　　水泵機(jī)組選型</b></p><p>　　工作水泵型號和臺數(shù)的選擇，應(yīng)根據(jù)逐時、逐日、逐季的用水量變化，要求的水壓，機(jī)組的效率和功率因素等確定。</p><p>　　水泵和電 動機(jī)是供水系統(tǒng)的重要組成部分，水泵選擇恰當(dāng)與否和動力費(fèi)用有很大的關(guān)系，故須加以重視。選泵時，首先要滿足供水系統(tǒng)的要求:

71、</p><p>　　(1)水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實際供水高度；</p><p>　　(2)水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量；</p><p>　　(3)水泵能力足以供應(yīng)最高用水量時的用水量，揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量；</p><p>　　(4)水泵型號應(yīng)使泵站建筑面積和泵站的基礎(chǔ)埋深為最小，以降低泵站造價；</p>

72、;<p>　　(5)水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失；</p><p>　　(6)安裝管理方便。</p><p>　　安裝臥式離心泵的泵站，平面尺寸較大而高度較低；立式軸流泵的泵站，情況正好相反，泵站的高度較大而平面尺寸較小。因此在深埋式的地下泵站可優(yōu)先考慮立式泵，半地下式和地面式泵站可用臥式泵。</p><p>　　選用多臺水泵時，水泵的型

73、號最好相同，這可便于安裝和維修養(yǎng)護(hù)管理。在此設(shè)計中要求三臺主泵和主泵電機(jī)型號和容量要相同，這才有利于在同一變頻器下正常的工作。大泵的效率比小泵高，而且用大泵時，工作泵和設(shè)備的費(fèi)用以及泵站的面積?？蓽p小。因此不可只從適應(yīng)水量的變化出發(fā)，使用數(shù)量較多的小泵。使用多臺水泵供水可防止一臺水泵出現(xiàn)故障時，停止供水使得系統(tǒng)癱瘓。一般最優(yōu)的水泵臺數(shù)為3～6臺。</p><p>　　綜合上述，對水泵進(jìn)行選用時，要根據(jù)供水系統(tǒng)對流

74、量的大小、揚(yáng)程的高低和實際需要進(jìn)行選擇。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。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。</p><p>　　在本設(shè)計中，采用ISG型立式離心泵40-160(I)，其參數(shù)如下表所示：</p><p>　　表3-2 水泵的參數(shù)</p><p><

75、;b>　　變頻器選型及接線</b></p><p><b>　　變頻器選型</b></p><p>　　變頻器是把工頻電源(50Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，它在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中起著非常重要作用，是水泵電機(jī)調(diào)速的執(zhí)行者。</p><p>　　變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩類。交

76、-直-交變頻器是先將工頻交流電通過整流器整流成直流；再把直流電經(jīng)逆變器變成頻率可調(diào)的交流電。交-交變頻器將電網(wǎng)的交流電直接變?yōu)殡妷汉皖l率都可調(diào)的交流電。由于交-交變頻器的輸出頻率一般最高只能達(dá)到電源頻率的1/2～1/3，所以它適用于低速大功率的傳動，在泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能中迄今很少使用。本文只討論交-直-交變頻器[2]。</p><p>　　其結(jié)構(gòu)如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3

77、-3 變頻器的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。</p><p>　　變頻器的型號很多，選擇合適的變頻器對系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有很大的幫助。</p><p>　　變頻器容量的選擇歸根到底是選擇其額定電流，總的原則是變頻器的額定電流一定要大于拖動

78、系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的最大電流。在選擇變頻器容量時，有以下情況需要考慮：</p><p>　　(1)變頻器驅(qū)動的是單一電動機(jī)，還是驅(qū)動多個電動機(jī)。</p><p>　　(2)電動機(jī)是直接在額定電壓、額定頻率下直接啟動，還是軟啟動。</p><p>　　(3)驅(qū)動多個電動機(jī)時，是同時啟動，還是分別啟動。大多數(shù)情況下是使用變頻器驅(qū)動單一的電動機(jī)，并且是軟啟動，這時候變頻器額

79、定電流選擇為電動機(jī)的額定電流的1.05～1.1倍即可。當(dāng)一臺變頻器驅(qū)動多臺電動機(jī)時，多數(shù)情況下也是分別單獨(dú)進(jìn)行軟啟動。這時候變頻器額定電流的選擇為多個電動機(jī)中最大電動機(jī)額定電流1.05～1.1倍即可。</p><p>　　總的來說，變頻器的選用應(yīng)該滿足以下原則：變頻器的容量應(yīng)大于負(fù)載所需的輸出；變頻器的電流大于電機(jī)的電流。因電機(jī)的計算功率小于所選用功率，根據(jù)變頻器的容量的選擇方法進(jìn)行計算。</p>

80、<p>　　根據(jù)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選用FR-A540系列變頻器，根據(jù)以上理論，選用三菱FR-A540系列變頻器。該變頻器采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，實現(xiàn)在線自動調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá)1：120（0.5～60Hz）；可拆御風(fēng)扇和接線端子，維護(hù)方便；柔性PWM，實現(xiàn)更低噪音運(yùn)行；內(nèi)置RS485通信口，可插擴(kuò)展卡符合全世界主要通信標(biāo)準(zhǔn)；PID等各種功能適合各種應(yīng)用場合。應(yīng)用三菱FR-A540系列變頻器內(nèi)置PID功能的PLC控制恒壓供水系

81、統(tǒng)，效率高，損耗小，調(diào)速供水節(jié)能效果突出，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，動態(tài)響應(yīng)快，體現(xiàn)了變頻調(diào)速恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢，取代了水塔、水箱、氣壓罐等，實現(xiàn)恒壓供水，成為供水網(wǎng)的換代產(chǎn)品。</p><p><b>　　其參數(shù)如下表所示：</b></p><p>　　表3-3 變頻器的參數(shù)圖</p><p>　　變頻器管腳如下圖所示：<

82、;/p><p>　　圖3-4 變頻器管腳說明</p><p><b>　　變頻器的接線</b></p><p>　　管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過FU和OL輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。</p><p>

83、　　圖3-5 變頻器的接線圖</p><p><b>　　PID調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的PI控制。用PI控制時，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。但是， I動作過強(qiáng)時，對快速變化偏差響應(yīng)遲緩。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。</p><p

84、>　　對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負(fù)載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。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。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負(fù)載。</p><p>　　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

85、制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時間的負(fù)載系統(tǒng)(即實時性要求不高，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[12,13]。</p><p>　　圖3-6 PID控制框圖</p><p>　　通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(

86、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。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。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。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:</p><p>　　(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。</p><p>

87、;　　(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。</p><p>　　此次使用硬件型控制形式。</p><p>　　本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。</p><p>　　圖3-7 PID控制接線圖</p><p><b>　　壓力傳感器</b></p>&l

88、t;p>　　壓力傳感器作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4～20mA變化的電流信號或0～5V間變化的電壓信號的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就

89、構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。</p><p>　　該傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～6

90、0 ℃，供電電源為28±3V（DC）。</p><p><b>　　系統(tǒng)主電路設(shè)計</b></p><p>　　圖3-8 系統(tǒng)主電路接線</p><p>　　根據(jù)供水的不同需求，水泵會工作在兩種模式：即工作于工頻或在變頻電下運(yùn)行。KM1、 KM3、 KM5 分別為水泵M1 、M2 、M3 工頻運(yùn)行時接通/關(guān)斷電源的控制接觸器，KM0、

91、 KM2 、KM4 分別為水泵M1、M2、 M3 變頻運(yùn)行時接通/關(guān)斷電源的控制接觸器。</p><p>　　熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，用它們來實現(xiàn)水泵的過載保護(hù)。</p><p>　　熔斷器(FU)是利用熱溶化來實現(xiàn)的短路保護(hù)裝置。是利用電流超過允許值產(chǎn)生的大量熱量使串接于主電路中的熔體熔斷而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過載。</p><

92、;p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　PLC控制</b></p><p><b>　　PLC程序流程圖</b></p><p>　　PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻—變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖4-1所示：</p><

93、;p>　　圖4-1 PLC程序流程圖</p><p>　　系統(tǒng)起動之后，檢測是自動運(yùn)行模式還是手動運(yùn)行模式。如果是手動運(yùn)行模式則進(jìn)行手動操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號執(zhí)行相應(yīng)的操作。</p><p>　　手動模式主要是解決系統(tǒng)出錯或器件出問題。</p><p>　　在自動運(yùn)

94、行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)[11]。</p><p><b>　　手動運(yùn)行</b></p><p>　　當(dāng)按下SB7按鈕，用手動方式。按下SB10手動啟動變頻器。當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時

95、切斷電機(jī)變頻，同時啟動電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動下一臺電機(jī)。為了變頻向工頻切換時保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時，用時間繼電器作了時間延遲，當(dāng)壓力過大時，可以手動按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時啟動電機(jī)變頻運(yùn)行?？筛鶕?jù)需要，停按不同電機(jī)對應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實現(xiàn)手動啟動和手動停止三臺水泵。該方式僅供自動故障時使用。</p><p><b>　　自動運(yùn)行</b&g

96、t;</p><p>　　由PLC分別控制某臺電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制。</p><p>　　升壓控制：系統(tǒng)工作時，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動狀態(tài)、變頻器拖動調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)開始工作時，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，第一臺水泵M1，啟動且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才

97、穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；反之用水量減少水壓增加時，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行；同時，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時，將

98、繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺水泵M3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出故障報警。</p><p>　　降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時間最長的一臺水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩

99、下最后一臺變頻泵運(yùn)行為止。</p><p><b>　　編程及介紹</b></p><p><b>　　總程序的順序功能圖</b></p><p>　　圖4-2 總程序的順序功能圖</p><p><b>　　自動運(yùn)行順序功能圖</b></p><p>

100、　　按下SB8按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入自動運(yùn)行模式，順序功能圖如4-3所示。</p><p>　　圖4-3 自動運(yùn)行順序功能圖</p><p>　　Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行。</p><p>　　系統(tǒng)起動時，KM

101、1閉合，#1泵以變頻方式運(yùn)行。 當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率超出一個上限信號后，PLC通過這個上限信號后將1#水泵由變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，KM1斷開KM0吸合，同時KM3吸合變頻起動第2#水泵。</p><p>　　如果再次接收到變頻器上限信號，則KM3斷開KM2吸合，第2#水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，3#水泵變頻起動。</p><p>　　如果變頻器頻率偏低，即壓力過高，輸出的下限信號使PLC關(guān)閉KM

102、5、KM2，開啟KM3，2#水泵變頻起動。</p><p>　　再次接到下限信號就關(guān)閉KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵變頻運(yùn)行。</p><p>　　為了防止出現(xiàn)某臺電動機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計了電氣互鎖。在同是控制M1電動機(jī)的兩個接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。</p><p><b>　　手動模式順序功能圖&l

103、t;/b></p><p>　　當(dāng)按下SB9按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入手動運(yùn)行模式。系統(tǒng)的每步動作都必須有相應(yīng)的操作。順序功能圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 自動運(yùn)行順序功能圖</p><p>　　按下按鈕SB9之后，啟動了變頻器，系統(tǒng)進(jìn)入手動運(yùn)行模式。當(dāng)用戶按下SBn（n=1，3，5）三臺電機(jī)分別處于工頻運(yùn)行，當(dāng)用戶按下SBn（n=2，4，6）三臺電機(jī)

104、分別處于變頻運(yùn)行。可以多臺電機(jī)于不同的頻率工作，但一臺電機(jī)只能以一種頻率下工作（如#1電機(jī)，如果控制它工作的SB1,SB2按鈕被同時按下則發(fā)出警報且電機(jī)無法起動）。</p><p><b>　　系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計</b></p><p>　　系統(tǒng)程序的關(guān)鍵在于PLC程序的合理性、可靠性問題。根據(jù)控制要求及上述所列出的自動控制過程表和功能圖，本系統(tǒng)設(shè)計出控制程序。系統(tǒng)包

105、括自動運(yùn)行程序，手動運(yùn)行程序，報警程序。程序詳細(xì)情況見附錄。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　大學(xué)的三年學(xué)習(xí)生活，在愉快而緊張中轉(zhuǎn)眼也要告以段落了。本文的研究工作是在**老師悉心指導(dǎo)下的結(jié)果。在此，我致以衷心的感謝和誠摯的敬意！</p><p>　　我在選題和研究工作中得到了**老師的耐心指導(dǎo)和無私的幫助，她在

106、課題研究的過程中，均給予了大量有啟發(fā)性的指導(dǎo)。在與她的討論和請教的過程中，我受益非淺，使得在碰到問題時得以一一順利地解決，經(jīng)過近2個月的努力，最終初步完成了本課題的研究工作。在此，作者表示深深的謝意。</p><p>　　三年來我一直在一種非常融洽、和諧、上進(jìn)的氣氛中學(xué)習(xí)，不斷取得進(jìn)步，得到了眾多人的幫助。在此，誠摯的感謝三年來默默為我們付出的機(jī)電工程系所有的老師，感謝多年來一直在背后默默支持我的父母，是你們無言

107、的關(guān)懷、鼓勵和寬容，才使我有了這樣的動力；同時，也向幫助和鼓勵過我的師兄、師弟們表示衷心的感謝。沒有你們，也就沒有今天的我。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 周萬珍,高鴻斌(第一版).PLC分析與設(shè)計應(yīng)用[M]. 北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004</p><p>　　[2] 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用

108、(第二版)[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2000</p><p>　　[3] 姚厚偉.變頻器供水系統(tǒng)中的應(yīng)用與節(jié)能[M]. 北京：航空航天大學(xué)出版社,2003</p><p>　　[4] 厲無咎.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,2005</p><p>　　[5] 張燕賓.循環(huán)水系統(tǒng)的變頻調(diào)速[M]. 北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,2002<