plc畢業(yè)論文變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設計

1、<p>　　PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的應用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構(gòu)成。</p><p>　　本系統(tǒng)包含三臺

2、水泵電機，它們組成變頻循環(huán)運行方式。采用變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動和變頻調(diào)速，運行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當前水壓信號，送入PLC與設定值比較后進行PID運算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設定值附近。通過工控機與PLC的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實現(xiàn)了運行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報警的查詢。</p><p>　　關鍵詞：變頻調(diào)

3、速,恒壓供水，PLC，組態(tài)軟件</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的提出1</p><p>　　1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本課題的主要

4、研究內(nèi)容4</p><p>　　2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定5</p><p>　　2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析5</p><p>　　2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定8</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設計16</p><p>　　3.1 系統(tǒng)主要設備的選型16</p>&

5、lt;p>　　3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設計20</p><p>　　3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設計22</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設計28</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件設計分析28</p><p>　　4.2 PLC程序設計30</p><p><b>　　5 結(jié)束語46

6、</b></p><p><b>　　參考文獻48</b></p><p><b>　　致 謝49</b></p><p><b>　　符號說明</b></p><p><b>　　輸出功率P</b></p><p>

7、;<b>　　出水流量Q </b></p><p><b>　　水壓H </b></p><p><b>　　水泵的轉(zhuǎn)速n</b></p><p><b>　　f表示電源頻率</b></p><p><b>　　p表示電動機極對數(shù)<

8、/b></p><p><b>　　s表示轉(zhuǎn)差率</b></p><p>　　上限頻率 </p><p><b>　　下限頻率</b></p><p>　　設定壓力 </p><p><b>　　反饋壓力</b>&l

9、t;/p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p><b>　　課題的提出</b></p><p>　　水和電是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì)，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能源短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度較低，而隨

10、著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。</p><p>　　傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水

11、方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式。</p><p>　　供水系統(tǒng)是國民生產(chǎn)生活中不可缺少的重要一環(huán)。傳統(tǒng)供水方式占地面積大，水質(zhì)易污染，傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水基建投資多，而最主要的缺點是水壓不能保持恒定，導致部分設備不能正常工作。變頻調(diào)速技術是一種新型成熟的交流電機無極調(diào)速技術，它以其獨特優(yōu)良的控制性能被

12、廣泛應用于速度控制領域，特別是供水行業(yè)中。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調(diào)速技術得到了更加深入的應用。恒壓供水方式技術先進、水壓恒定、操作方便、運行可靠、節(jié)約電能、自動化程度高。</p><p>　　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)速技術以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工

13、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，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機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；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗[2]。</p><p>　　基于PLC和變頻技術的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術、電氣技術、現(xiàn)代控制技術于一體。采用該系統(tǒng)進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

14、缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 變頻調(diào)速技術的國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發(fā)展。從20世紀80年代后半期開始，

15、美、日、德、英等發(fā)達國家的基于VVVF技術的通用變頻器已商品化并廣泛應用。在我國，60%的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此如何利用電機調(diào)速技術進行電機運行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國家和業(yè)界人士的重視?，F(xiàn)在，我國約有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術差距。隨著改革開放和經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達國家進口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設備，要么內(nèi)

16、外結(jié)合，即在自行設計制造的成套裝置中采用外國進口或合資企業(yè)的先進變頻調(diào)速設備，然后自己開發(fā)應用軟件的辦法，很好地為國內(nèi)重大工程項目提供了電氣傳動控制系統(tǒng)的解決辦法，適應了社會的需要?？傊?，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關設備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重。</p><p>　　1.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究與現(xiàn)狀</p><p>

17、;　　變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起動控制以及制動控制、壓頻比控制以及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺電機(泵)的供水系統(tǒng)。這類設備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，

18、但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制[3]。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，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應的軟件予以實現(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

19、性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的</p><p>　　1.3 本課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術相結(jié)合技術，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。<

20、;/p><p>　　PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循

21、先起先停、先停先起原則。</p><p>　　2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定</p><p>　　2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析</p><p>　　2.1.1 電動機的調(diào)速原理</p><p>　　水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為：</p><p><b>　　(2-1) </b&g

22、t;</p><p>　　式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。</p><p>　　從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有：</p><p>　　(l) 改變電源頻率</p><p>　　(2) 改變電機極對數(shù)</p><p><b>　　(3) 改變轉(zhuǎn)差率</b></p

23、><p>　　改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。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值。下面重點分析改變電

24、源頻率調(diào)速的方法及特點。</p><p>　　根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應用。</p><p>　　2.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理<

25、;/p><p>　　供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2.1所示。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，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系H=f(Qu)。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?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線，如圖2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用來克

26、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。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f(Qc)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖2.1中A點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。</p><p>　

27、　圖2-1 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(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)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(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>　　

28、在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，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，揚程特性將

29、隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，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)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。</p><p>　　由流體力學可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速

30、n三次方成正比，即：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　

31、　式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。</p><p>　　圖2-2 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線</p><p>　　當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1×Q2。當

32、用調(diào)速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于(H1－H0)×Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，

33、節(jié)能效果顯著。</p><p>　　2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定</p><p>　　2.2.1控制方案的比較和確定</p><p>　　恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務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的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，

34、同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇[8]：</p><p>　　(1) 有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器</p><p>　　這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方

35、面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。</p><p>　　(2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器</p><p>　　這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方

36、便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。</p><p>　　(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器</p><p>　　這種控制方式靈活方便

37、。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。</p&g

38、t;<p>　　通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。</p><p>　　2.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖</p><p>　　PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該

39、系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-3所示：</p><p>　　圖2-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖</p><p>　　從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為：</p><p>　　(l) 執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進行變頻調(diào)整的水泵，用以

40、根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。</p><p>　　(2) 信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強

41、系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。</p><p>　　(3) 控制機構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜

42、中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器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)中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。</p><

43、p>　　根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另

44、一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇[9]，本設計中采用前者。</p><p>　　作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。<

45、/p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上[10]。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示：</p><p>　　圖2-4 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖

46、</p><p>　　恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實時地測量參考點的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，進而

47、控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實現(xiàn)變頻恒壓供水。</p><p>　　2.2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:</p><p>　　(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實際壓力和設定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制

48、Ml的轉(zhuǎn)速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運行狀態(tài)。</p><p>　　(2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。</p>

49、<p>　　(3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運行)，同時變頻泵M1做工頻運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達到

50、上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。</p><p>　　(4) 當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻泵M2關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3關掉。</p><p>　　

51、2.2.4 水泵切換條件分析</p><p>　　在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當變頻泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的；當變頻泵和工頻泵都在運行且變頻泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少工頻泵來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換呢?</

52、p><p>　　由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0HZ。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水

53、了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20HZ左右。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機組切換的上下限頻率。</p><p>　　當輸出頻率達到上限頻率時，實際供水壓力在設定壓力上下波動。若出現(xiàn)時就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力。在極端的情況下，

54、運行機組增加后，實際供水壓力超過設定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入—切出—再投入—再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行

55、壽命。另外，實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以，在實際應用中，相應的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應用和判別條件的延時成立。</p><p>　　實際的機組切換判別條件如下[11]：</p><p>　　加泵條件： 且延時判別成立 (2-

56、6)</p><p>　　減泵條件： 且延時判別成立 (2-7)</p><p>　　式中： ：上限頻率 ：下限頻率</p><p>　?。涸O定壓力 ：反饋壓力</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的硬件設計</b></p><p>　　3.1 系

57、統(tǒng)主要設備的選型</p><p>　　根據(jù)基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖</p><p>　　由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1) PLC及其擴展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設備選

58、型如表3.1所示：</p><p>　　表3-1 本系統(tǒng)主要硬件設備清單</p><p>　　3.1.1 PLC及其擴展模塊的選型</p><p>　　PLC是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇PLC時，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、

59、帶擴展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設備相對較少，因此PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。PLC和上位機的通信采用PC/PPI電纜，支持點對點接口

60、(PPI)協(xié)議，PC/PPI電纜可以方便實現(xiàn)PLC的通信接口RS485到PC機的通信接口RS232的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo[12]。</p><p>　　根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關量輸出為16點，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關量輸入CPU226為24點，輸入形式為+24V直流輸

61、入。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，該模塊有4個模擬輸入(AIW)，1個模擬輸出(AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉(zhuǎn)換，標準輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標準輸出信號。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。</

62、p><p>　　3.1.2 變頻器的選型</p><p>　　變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機的功率和電流進行選擇。本系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用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。供水系統(tǒng)

63、屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的U/f控制變頻器。</p><p>　　由于本設計中PLC選擇的西門子S7-200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。它是用于三相交流電動機調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運行可靠性和很強的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動機保護功能

64、，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對I/O端子進行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖崿F(xiàn)了無跳閘運行，磁通電流控制改善了動態(tài)響應特性，低頻時也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.75~90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號能作為75KW的水泵電機的輸入信號。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設

65、備之間的通信。</p><p>　　3.1.3 水泵機組的選型</p><p>　　水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，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。本設計的要求為：電動機額定功率75KW，供水壓力控制在0.3±0.01Mpa。根據(jù)本設計要求并結(jié)合實際中小區(qū)生活用水情況，最終確定

66、確定采用3臺上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵機組（電機功率75KW）。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機，機械密封，前端配有泄壓保護裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進低出的結(jié)構(gòu)設計，水力模型先進，性能更可靠。它可以輸送清水及理化性質(zhì)類似于水的無顆粒、無雜質(zhì)不揮發(fā)、弱腐蝕介

67、質(zhì)，一般用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。因此本設計中選擇電機功率為75KW的上海熊貓機械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵3臺。</p><p>　　3.1.4 壓力變送器的選型</p><p>　　壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?~5V或4~20mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在

68、選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4~20mA輸出壓力變送器。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個數(shù)字量輸入，當壓力超出上限時，關閉所有水泵并進行報警輸出[13]。</p><p>　　

69、根據(jù)以上的分析，本設計中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0~1Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4~20mA電流信號，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。</p><p>　　3.1.5 液位變送器選型</p><p>　　考慮到水泵電機空載

70、時會影響電機壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。本設計要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標準電信號（4~20mA電壓信號），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報警信號，輸入PLC。</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設計</p><p>　　基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺電機分別為M1、

71、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關；FU為主電路的熔斷器。</p><p>　　本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻

72、器控制下作變速運行，其余水泵在工頻下做恒速運行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。</p><p>　　圖3-2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關接至變頻器的R、S、T端，變

73、頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接

74、觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須設計可靠的互鎖。為監(jiān)控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將4~20mA電流信號送至上位機來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運行時，必須觀察電動機的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。

75、系統(tǒng)啟動、運行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或</p><p>　　3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設計</p><p>　　系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關系到整個系統(tǒng)的運行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司S7-200系列PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強，性能優(yōu)越。</p><p>　　PLC主要是用于實

76、現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。</p><p>　　如圖3-3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1

77、~SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。</p><p>　　圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.1~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖3-4一起讀圖。</p><p>　

78、　圖3-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖</p><p>　　注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細介紹。</p><p>　　本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：</p><p>　　(1) 手動控制：手動控制只在檢查故障原因時才會用到，便于電機故障的檢測與維修。單刀雙擲開關SA打至1端時開啟手動控制模式，此時可以通過開關分別控

79、制三臺水泵電機在工頻下的運行和停止。SB1按下時由于KM2常閉觸點接通電路使得KM1的線圈得電，KM1的常開觸點閉合從而實現(xiàn)自鎖功能，電機M1可以穩(wěn)定的運行在工頻下。只有當SB2按下時才會切斷電路，KM1線圈失電，電機M1停止運行。同理，可以通過按下SB3、SB5啟動電機M2、M3，通過按下SB4、SB6來使電機M2、M3停機。</p><p>　?。?）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單

80、刀雙擲開關SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。Q0.0輸出1#水泵工頻運行信號，Q0.1輸出1#水泵變頻運行信號，當Q0.0輸出1時，KM1線圈得電，1#水泵工頻運行指示燈HL1點亮，同時KM1的常閉觸點斷開，實現(xiàn)KM1、KM2的電氣互鎖。當Q0.1輸出1時，KM2線圈得電，1#水泵變頻運行指示燈HL2點亮，同時KM2的常閉觸點斷開，實現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當

81、Q1.1輸出1時，水池水位上下限報警指示燈HL7點亮；當Q1.2輸出1時，變頻器故障報警指示燈HL8點亮；當Q1.3輸出1時，白天供水模式指示燈HL9點亮；當Q1.4輸出1時，報警電鈴HA響起；當Q1.5輸出1時，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點KA閉合使得變頻器的頻率復位；處于自動控制狀態(tài)下，自動運行狀態(tài)電源指示燈HL10一直點亮。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)的軟件設計</b>

82、</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件設計分析</p><p>　　硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設計分析如下：</p><p>　　(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理</p><p>　　為了恒定水壓，在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第

83、二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標準是變頻器的輸出頻率達到設定的上限值。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達上限值的確實性，應濾去偶然的頻率波動引起的頻率達到上限情況，在程序中應考慮采取時間濾波。</p><p>　　(2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 </p><p>　　由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機均為軟啟動，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運要有個管理規(guī)范

84、。在本設計中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運行不得超過3h，因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時，以新運行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是：將現(xiàn)行運行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運行，將變頻器復位并用于新運行泵的啟動。除此之外，泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制，本設計中使用泵號加1的方法實現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實現(xiàn)工頻泵的輪換工作。</p><p>　　(3) 程序的結(jié)構(gòu)及程

85、序功能的實現(xiàn)</p><p>　　由于模擬量單元及PID調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時間。利用定時器中斷功能實現(xiàn)PID控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多，如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設定

86、的。白天模式系統(tǒng)設定值為滿量程的90%，夜間模式系統(tǒng)設定值為滿量程的70%。</p><p>　　程序中使用的PLC元件及其功能如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 程序中使用的PLC元件及其功能</p><p>　　4.2 PLC程序設計</p><p>　　PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-MicroWIN

87、-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言[14]。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語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，是應用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)

88、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計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。</p><p>　　PLC控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI 電纜把程序

89、下載到PLC，控制任務的完成，是通過在RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。</p><p>　　4.2.1控制系統(tǒng)主程序設計</p><p>　　PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。</p><p><b>　　系統(tǒng)初始化程序&l

90、t;/b></p><p>　　在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入

91、臺數(shù)。</p><p>　　增、減泵判斷和相應操作程序</p><p>　　當PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應的泵變頻啟動脈沖信號。</p><p>　　(3) 水泵的軟啟動程序</p><p>　　

92、增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。</p><p>　　當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。</p><p>　　(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序</p><p>　　各水泵變頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵

93、為例進行說明。當?shù)谝淮紊想姟⒐收舷蛘弋a(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。</p><p>　　(5) 各水泵工頻運行控制邏輯程序</p><p&

94、gt;　　水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。產(chǎn)生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點

95、還可實現(xiàn)自鎖功能。</p><p>　　(6) 報警及故障處理程序</p><p>　　本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當故障信號產(chǎn)生時，相應的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。</p><p>　　故障發(fā)生后重新設定變頻泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)

96、束脈沖信號。</p><p>　　由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復雜，不方便全部畫出，在此僅畫出其控制過程的流程圖。詳細的主程序梯形圖請參考附錄C。</p><p>　　主程序流程圖如圖4-1所示。由于在圖4-1中并未對各臺水泵的變頻和工頻運行控制做詳細介紹，因此圖4-2和圖4-3對其作了完整的補充。其中圖4-2是以2#泵為例的變頻運行控制流程圖，圖4-3是以2#泵為例的工頻運行控制

97、流程圖。1#、3#泵的運行控制情況與2#泵相似，在此就不再重復。</p><p>　　如圖4-1所示。本設計主程序大體包括以下幾部分：</p><p>　　(1) 調(diào)用初始化子程序，設定各初始值；</p><p>　　(2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)；</p><p>　　(3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號；</p>

98、<p>　　(4) 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進行控制；</p><p>　　(5) 進行報警和故障處理。</p><p>　　圖4-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖</p><p>　　圖4-2 2#泵變頻運行控制流程圖 圖4-3 2#泵工頻運行控制流程圖</p><p><b>　　

99、6 結(jié)束語</b></p><p>　　本文針對城市小區(qū)供水的特點，設計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵電機的軟起動和調(diào)速，摒棄了原有的自耦降壓起動裝置，同時把水泵電機控制納入自動控制系統(tǒng)。壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)PID處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了

100、供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動控制、無二次污染等優(yōu)點。</p><p>　　本文主要的工作如下：</p><p>　　(1) 由PLC、變頻器實現(xiàn)生活用水的恒壓控制。系統(tǒng)采用PLC實現(xiàn)對多泵切換的控制。通過變頻器實現(xiàn)對三相水泵電機的軟啟動，由電動機的變頻調(diào)速實現(xiàn)對水壓的調(diào)節(jié)。</p><p>　　(2) 通過對控制過程和原理的

101、分析，利用西門子STEP7 MicroWIN編程軟件設計了一個用于恒壓供水系統(tǒng)的程序，本程序包括順序控制主程序，初始化子程序和中斷子程序三部分。</p><p>　　(3) 對上位機組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計。根據(jù)泵站監(jiān)控要求，利用組態(tài)王軟件完成了泵站組態(tài)監(jiān)控畫面的各個功能的設計，系統(tǒng)界面清楚明了，易于操作，能動態(tài)地顯示當前運行情況、當前水壓以及故障情況。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設計

102、，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。在提高自己的同時，我也更加清楚的認識到自己的一些不足之處。比如：在硬件設備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學，以及向老師、同學們請教，我對這些知識有了更深入的理解。通過這半年的實踐和學習，我學到了很多課本中無法涉及到的知識，體會到了工程設計的復雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將開始的研究生生活打下了堅實的基礎

103、。在以后的學習和生活中，我會不斷的提高、充實自己，爭取獲得更大的成績。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討[J].蘭州鐵道學院學報,2000,1:84-88</p><p>　　[2] 張燕賓.變頻調(diào)速應用實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002,135-

104、137</p><p>　　[3] 金傳偉,毛宗源.變頻調(diào)速技術在水泵控制系統(tǒng)中的應用[J],電子技術應用,2000,2:38-39</p><p>　　[4] 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002,244-251</p><p>　　[5] 胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998,316-317</p

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106、p><p>　　[9] 楊東平.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)綜述[J],南寧職業(yè)技術學院學報,2004,4:38-45</p><p>　　[10] 耿紅旗,呂冬艷.可編程序控制器應用教程[M].北京:中國水利水電出版社,2001,45-60</p><p>　　[11] 鄭兆生,張偉,鄭新志.PLC及變頻器恒壓供水控制系統(tǒng)設計[J],山東輕工業(yè)學院學報,2007,3:123-