基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

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1、基于基于 PLCPLC 的恒壓供水系統(tǒng)的恒壓供水系統(tǒng)目錄目錄摘要摘要Abstract第第 1 章章 前言前言1第第 2 章章 系統(tǒng)的發(fā)展及其意義系統(tǒng)的發(fā)展及其意義22.1課題的背景和研究的意義22.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2第第 3 章章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定43.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的選擇43.2PLC 概述53.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析63.3.1 電動機(jī)的調(diào)速原理63.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理7第第 4 章章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案系統(tǒng)的整體設(shè)計方案114.1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及原理114.2系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能12

2、第第 5 章章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計145.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型145.1.1 變頻器的選型145.1.2 可編程序控制器選型155.1.3 水泵及其電動機(jī)的選擇165.1.4 壓力傳感器的選擇165.2 系統(tǒng)電路設(shè)計16 5.2.1 主電路圖165.2.2 控制電路圖175.2.3 PLC 與變頻器的外部接線圖18第第 6 章章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計196.1 系統(tǒng)程序功能圖196.2 系統(tǒng)程序設(shè)計分析206.3 系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計21第第 7 章章 系統(tǒng)系統(tǒng) PID 的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)267.1 PID 調(diào)節(jié)過程分析267.2 PID 在系統(tǒng)實際中的應(yīng)用27第第 8 章章 結(jié)束

3、語結(jié)束語28參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)答謝辭答謝辭 摘摘 要要 隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活水平也在不斷提高，其中人們對供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求比較高。由于目前的能源緊缺，所以利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)來設(shè)計一個能適應(yīng)不同領(lǐng)域的變頻恒壓供水系統(tǒng)。 本論文通過對 PLC 200 的編程來實現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)，從而取代了直接水泵加壓和高位水塔供水方式。由變頻器、壓力傳感器、PLC 及 PID 調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)。采用變頻器實現(xiàn)對水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速。壓力傳感器經(jīng)管網(wǎng)壓力信號通過 PID 處理傳送給變頻器，變頻器通過壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變供水量，從而保證管網(wǎng)壓力的恒定。

4、這樣有益于保護(hù)環(huán)境、減少資源，而且操作簡單，維護(hù)方便，同時也降低了電能的損耗和對電網(wǎng)的影響。所以用 PLC 來設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠滿足現(xiàn)實需要，也能提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)的壽命、節(jié)約能源，是現(xiàn)代化城市和生活小區(qū)供水較為理想的供水方式。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：PLC ; ;變頻器; ; PID ; ;壓力傳感器; ;供水系統(tǒng)Abstract With Chinas economic and social development,peoples living standard has beenimproved,the reliability of water quality and wate

5、r supply system requirement is relatively high. Because of the shortage of energy, so the use of automation technology,control technology and communication technology to design a can adapt to variable frequency constant pressure water supply system in different fields. This paper based on the progra

6、mming of PLC 200 to realize the constant pressure water supply system, thus replacing the direct water pump pressure and high water tower water supply mode.The control system consists of transducer, pressure sensor, PLC and PID regulator.Implementation of the water pump motor soft start and frequenc

7、y converter. Pressure sensor managerment net pressure signal to the inverter through the PID transmission, the converter to change the water supply pressure size by adjusting the rotation speed of the motor,thus ensuring a constant pressure of the pipe network.It is beneficial to protect environment

8、 ,reduce resource,and has the advantages of simple operation,convenient maintenance,but also reduces the power loss and the impact on the grid.So the use of PLC to design of variable frequency constant pressure water supply system can not only meet the needs of reality,but slao can improve the effic

9、iency of the whole system,extending the system lifetime,energy conservation,is a modern city and living in the area of water supply an ideal water supply mode. Key words: PLC; frequency changer; PID; preaaure pickup; water supply sys1第 1 章 前言 眾所周知，水是生命之源，是人類生活和生產(chǎn)過程中不可缺少的重要資源之一。我國是一個水資源短缺的國家，所以我國長期以來

10、在供水方面的技術(shù)比較落后，自動化程度也比較低。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人們供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。 傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力資源和電力資源、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。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。其

11、優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；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；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。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、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。 2第 2 章 系統(tǒng)的發(fā)展及其意義2.12.1課題的背景和研究的意義課題的背景和研究的意義 水是我們賴以生存的資源，而我國是個水資源短缺的國家。隨著社會的飛速發(fā)展，人口的不斷增長，用水量也在急劇增加，從而出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象，同時造成管網(wǎng)水壓浮動較大。而變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是集變頻技術(shù)，電氣傳動技術(shù)，現(xiàn)代控制技術(shù)于一體先進(jìn)的供水控制系統(tǒng)。它可以根據(jù)用水管網(wǎng)瞬間用水量的不同所

12、引起的壓力變化，自動地改變水泵的轉(zhuǎn)速，自動調(diào)節(jié)峰谷供水量，保證管網(wǎng)供水壓力恒定，以滿足用水的要求。供水廠希望通過對原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此基礎(chǔ)之上配備相應(yīng)的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務(wù)管理水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個完全依靠值班人員手動控制的系統(tǒng)，所以對該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來水的生產(chǎn)成本

13、和提高生產(chǎn)管理水平的目的。在相當(dāng)比較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)，以 PLC 控制的變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點(diǎn)：（1） 供水量在短時間內(nèi)(一天時間內(nèi))變化大，這種變化在幾個小時內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。（2） 對供水壓力的要求比較嚴(yán)格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。（3）一般情況下，供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通過供水水泵的輸出來提供的。從上即可結(jié)論：以 PLC 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，也提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。 2 2.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)

14、外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前國外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)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(jìn)行閉環(huán)控制。目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合 PLC 或 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求低的變頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以

15、其成本低廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，還有待完善。也有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的3變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(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(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、抗干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)到所有用戶的要求。同時在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，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(EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠

16、的。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)實踐中。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來水管)進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài).變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式(如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等)，是當(dāng)今國際上一項效益最高、性能

17、最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù).它采用微機(jī)控制技術(shù);電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無級調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。以變頻器為核心結(jié)合PLC 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式” 、 “變頻泵循環(huán)方式”兩種模式它將PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控

18、制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7 臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)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(fù)載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。4 第第 3 章章 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的選擇變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的選擇傳統(tǒng)的供水方式(包括水箱、水塔供

19、水和氣壓供水)。1) 水箱/水塔供水：供水系統(tǒng)采用水箱/水塔，稱為重力供水。供水壓力比例恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來進(jìn)行供水的，為此，需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻斏?。即使如此，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。同時由于在屋頂上形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長。2) 氣壓供水：氣壓給水系統(tǒng)不在屋頂上設(shè)置水箱，也不用單獨(dú)建筑水塔，僅在地下室或某些空曠之處加壓送到管網(wǎng)中去。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，少受污染，不妨礙美觀，有利于擴(kuò)展與消除管道中的水錘與噪聲，且可以通過改變

20、壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。缺點(diǎn)是需要壓力罐，其體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需要使用張力膜或設(shè)置空氣壓縮機(jī)沖氣。因此，電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。給水方式的選擇應(yīng)以經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，供水安全可靠為原則。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。利用變頻器、PID 調(diào)節(jié)器、單片機(jī)、PLC 等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代了水塔、水箱、氣壓罐等實現(xiàn)了恒壓供水。其配置日趨合理，成為供水網(wǎng)系的替代產(chǎn)品。3) 變頻調(diào)速恒壓供水：變頻調(diào)速恒壓供水器由電動機(jī)、泵組和變頻調(diào)速系統(tǒng)、壓力儀表、管路系統(tǒng)等組成。電動機(jī)泵組多由同型號的水泵 24

21、 臺并聯(lián)而成(以四臺為例)。由變頻器和工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況自動調(diào)節(jié)和切換。主要優(yōu)點(diǎn)：對電網(wǎng)沖擊小，保護(hù)功能完善。消除了水泵電機(jī)直接啟動時對電網(wǎng)的沖擊和干擾，并且設(shè)備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、過熱等多種保護(hù)功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行，確保供水不間斷。突然停電后再來電，設(shè)備能夠自動啟動運(yùn)行。因為實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過程中，其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于

22、其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快、長期受益的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的社會效 益也是非常巨大的。水泵電動機(jī)采用軟啟動方式，避免了電動機(jī)啟動時的電流沖擊，也避免了電動機(jī)突然加速造成泵組系統(tǒng)的喘振。無塔供水系統(tǒng)不需要水塔、高位水箱和氣罐，設(shè)備簡單，控制實時性好，且能滿足不斷增加的供水需求。5建筑高度增加時，無塔供水器只需要改變水壓設(shè)定值和修正流量參數(shù)就能滿足要求，而無需改變供水需求。變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合：高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。1) 各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補(bǔ)水等。2) 中央空調(diào)系統(tǒng)。3) 自來水場增壓系統(tǒng)。4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，

23、人造噴泉。5) 各種流體恒壓控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用，為人民生活帶來極大的方便，也為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。并同時得到了科教工作者、企業(yè)家與廣大民眾的認(rèn)可。將來的趨勢必定是全面取代傳統(tǒng)供水方式，成為供水系統(tǒng)的主流。所以在此我們選用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。3.2PLC 概述概述 1、 可編程控制器（PLC）的產(chǎn)生 1968 年美國通用汽車公司（General Motors Corporation GM）公開招標(biāo)，要求用新的控制裝置取代生產(chǎn)線上的繼電器接觸器控制系統(tǒng)，其具體要求如下：1、編程簡單，可在現(xiàn)場修改和調(diào)試程序 2、維護(hù)方便，采用插入式模塊結(jié)構(gòu)3、可靠性高于繼電器 4、與繼電

24、器接觸器控制系統(tǒng)相比體積小，能耗低5、能與管理中心計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信 6、購買安裝成本可與繼電器控制柜競爭7、采用市電輸入，可接受現(xiàn)場的開關(guān)信號 8、采用市電輸出，具有驅(qū)動接觸器線圈、電磁閥和小功率電動機(jī)的能力 9、系統(tǒng)擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只需做很少的改動10、用戶程序存儲器容量至少 4KB 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司根據(jù)上述要求，首先研制出了世界上第一臺可編程序控制器 PDP-14，并在通用汽車公司的自動生產(chǎn)線上試用獲得成功。從此以后，這項研究技術(shù)迅速發(fā)展，從美國、日本、歐洲普及到全世界。 因為這種新型工業(yè)控制裝置可以通過編程改變控制方案，且專門用于邏輯控制，所以人們稱這種新型工業(yè)控制裝置為可編

25、程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller，PLC）。2、PLC 的基本工作原理 PLC 是按照集中采樣、集中掃描的工作方式工作的。整個工作過程可分為 5 個階段：自診斷，通信處理，讀取輸入，執(zhí)行程序，改寫輸出。這種周而復(fù)始的循環(huán)工作模式稱為掃描工作模式。63、西門子 S7-200PLC 簡介西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。S7 系列是傳統(tǒng)意義的 PLC，S7-200 屬于小型 PLC，S7-200 系列 PLC 有 CPU21X 和 CPU22X 兩代產(chǎn)品。它是整體式 PLC，它將輸入/輸出模塊、CPU 模塊、電源模塊均裝在一個機(jī)殼內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)

26、展時，可選用需要的擴(kuò)展模塊與基本單元（主機(jī)）連接。其特點(diǎn)如下：(1) 編程方法簡單易學(xué)；(2) 功能強(qiáng)，性能價格比高：S7-200 有 5 種 CPU 模塊，最多可擴(kuò)展 7 個擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到 248 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 或 38 路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間；(3) 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)；(4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面； （5）無觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)； (6) 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少，維修工作量小，維修方便； （7）體積小，能耗低；3 3. .3 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論

27、分析 3.3.1 電動機(jī)的調(diào)速原理 變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機(jī)驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。 水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，其交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速公式為： n=60f(1-s)/p (3.1)式中：f 表示異步電動機(jī)頻率，s 表示電動機(jī)轉(zhuǎn)差率，p 表示電動機(jī)極對數(shù)。從（3.1）公式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：（1） 改變電源頻率（2） 改變轉(zhuǎn)差率（3） 改變電機(jī)極對數(shù) 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機(jī)等。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉(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(fù)雜在調(diào)速過程中均產(chǎn)

28、生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制。改變電機(jī)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(jī)，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(jī)器。 從（3.1）公式可知，當(dāng)極對數(shù) p 不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 與電源頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f 在 0-50HZ 的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。所以，通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動機(jī)供電源頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。單相電機(jī)調(diào)速器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實現(xiàn)

29、調(diào)速調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。7 3.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，主要控制對象是流量。所以，在研究節(jié)能問題上就可以從調(diào)節(jié)流量的方法入手。常用的控制方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法（也稱恒壓控制法）兩種。（1）閥門控制法：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)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，當(dāng)閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，就會造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。如圖 3-1 所示。管阻特性反映

30、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揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系 H=f(Qc)。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 3-1 中 A 點(diǎn)。在這一點(diǎn)，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(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 3-1 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征由流體力學(xué)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

31、 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(guān)系有，水泵的輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成正比，即： P=K1HQ （3.2） n=k2Q （3.3） H=K3Q2 （3.4） P=kn3 （3.5）式中 k、k1、k2、k3 為比例常數(shù)。（2）轉(zhuǎn)速控制法：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8不變，實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。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)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速，用水量減小時電機(jī)減速。如圖 3-2 當(dāng)用閥門控制時

32、，若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，揚(yáng)程為 H0，當(dāng)供水量從 Q1減小到 Q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 b3移到 b1，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從 H0上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 F 點(diǎn)，此時水泵的輸出功率正比于 H1Q2。當(dāng)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(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2，工作點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)。此時水泵輸出功率正比于 H0Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)用閥門控制流量時，有正比于(H1H0)Q2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)

33、也隨之上移，于是 H1增大，而被浪費(fèi)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，節(jié)能效果顯著。HH2H1H00Q2Q1Qn1n2EFDb1b2b3圖 3-2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線1、水泵工作點(diǎn)的確定和調(diào)節(jié)1) 水泵工作點(diǎn)的確定 水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運(yùn)行時所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)水泵在實際運(yùn)行時的工況點(diǎn)取決于水泵性能管路性能以及所需實際揚(yáng)程。這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會發(fā)生變化。如果把某一水泵的揚(yáng)程特性曲線（HQ）和管阻特性曲線（HX-Q）畫在同一坐標(biāo)系中，如圖 3-3 所示，則這兩條曲線的交點(diǎn) A 就是水泵的

34、理想工作點(diǎn)。若把水泵的效率曲線（-Q）也畫在同一坐標(biāo)系中，可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 HA、流量 QA以及效率 A。9AHAA1nAnAQQQHXQH Q圖 3-3 水泵工作點(diǎn)的確定從圖 3-3 中可以看出，水泵在工作點(diǎn) A 點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的揚(yáng)程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到能量和流量的平衡，這個平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對的。實際運(yùn)行時水泵并非總是固定在 A 點(diǎn)。一旦當(dāng)水泵或管阻特性中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。工作點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運(yùn)行管理中的一個重要問題。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率

35、 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 QA和揚(yáng)程 HA的乘積成正比。2) 水泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 與電源頻率 f 具有如下關(guān)系：n=60f(1-s)/p （3-6) 式中：p-極對數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率因此不改變電動機(jī)的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比(V/F)曲線，設(shè)定加減速時間以及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，使電動機(jī)啟動時轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚(yáng)程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻

36、調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴(kuò)展了水泵的高效運(yùn)行范圍。 當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過降低交流電的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速從 n1 降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚(yáng)程 H 和軸功率 N 以相應(yīng)規(guī)律改變。泵的運(yùn)行效率會大大下降。因此，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運(yùn)行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運(yùn)行。102、水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析水泵運(yùn)行工況點(diǎn) A 是水泵性能曲線 n1 和管路性能曲線 R1 的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量。需要減少流量時關(guān)小閥門，使管路性能曲線由 R1變?yōu)?R2。運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水

37、泵性能曲線從 A 點(diǎn)移到 D 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0 減少到 Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速從 n0 降到 n1，水泵性能曲線從 n0 平移到 n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A 點(diǎn)移到 C 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0減少到 Q1。在圖 3-4 中，水泵運(yùn)行在 B 點(diǎn)時消耗的軸功率與 H1、B、Q1、0 的面積成正比，運(yùn)行在 C 點(diǎn)時消耗的軸功率與 H2、C、Q1、0 的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。求出運(yùn)行在 B 點(diǎn)時泵的軸功

38、率：NB=KQ1H1 （3-7)求出運(yùn)行在 C 點(diǎn)時泵的軸功率：NC=KQ1H2 (3-8)兩者之差：N=NB-NC=(H1-H2)KQ1 (3-9)H1H0H2HsjH0Q1Q0Q1n0nABC圖 3-4 水泵節(jié)能分析圖也就是說，采用閥門控制流量時有N 的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。11第 4 章 系統(tǒng)的整體設(shè)計方案4.14.1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及原理變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及原理系統(tǒng)的組成整個系統(tǒng)由

39、四臺水泵（1#、2#、3#為調(diào)速水泵、4#為輔助水泵）構(gòu)成水泵組，一臺變頻調(diào)速器，一臺 PLC 和一個壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。如圖 4-1 所示，各部分功能如下：（1）水泵組：用于將水供入用戶管網(wǎng)，提高水壓以實現(xiàn)向高處供水。其中調(diào)速水泵根據(jù)用水量的變化來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。輔助水泵它只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很小的情況下(例如:夜間)對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。（2）變頻調(diào)速器：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)速泵的轉(zhuǎn)速控制。（3）PLC：用于水泵的邏輯切換、控制及供水壓力的 PID 控制等。（4）

40、壓力傳感器：安裝于供水管道上，并且將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成 4-20mA 的電信號，是實現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。（5）輔助部件：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)生產(chǎn)。變頻器PLC用戶 水 源遠(yuǎn)程壓力表控制信號電源KM2 KM4 KM6 KM7KM1 KM3KM51#2#3#4#M3M3M3M3圖 4-1 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖12系統(tǒng)原理：原理圖如圖 4-2 所示。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號轉(zhuǎn)換成電流信號再經(jīng) PLC 的擴(kuò)展模塊 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

41、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)。圖 4-2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理圖當(dāng)用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，變頻器的高速信號(即變頻器的頻率上限信號)被 PLC 檢測到，如果頻率上限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間，PLC 自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，同時將另一臺備用的泵用變頻器起動后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。若兩臺泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能達(dá)到設(shè)定壓力，則將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將另一臺備用泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時，首先表現(xiàn)

42、為變頻器己工作在最低速信號(即變頻器的頻率下限信號)有效，如果頻率下限信號持續(xù)出現(xiàn)，PLC 首先將工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。4.2系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能：1) 全自動運(yùn)行合上自動開關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從 0Hz 上升，同時 PID 調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到 50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，同時對 2#泵進(jìn)行變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推；如用水量減小(壓力過大)，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。若有電源瞬時停電的

43、情況，則系統(tǒng)停機(jī)。待電源恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動恢復(fù)運(yùn)行，然13后按自動運(yùn)行方式啟動 1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。變頻自動控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。2) 手動運(yùn)行當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，四臺泵可分別以手動控制方式工頻運(yùn)行。3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)，任何設(shè)備不能啟動。4) 采用“自動切換”和“先啟先?！痹瓌t“自動切換”是指當(dāng)一臺單獨(dú)運(yùn)行水泵或者有兩臺同時運(yùn)行的水泵，運(yùn)行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達(dá)到設(shè)定時間時自動換泵運(yùn)行。 “先啟先停”是指哪一臺先啟動的水泵在壓力過大時也先被切除，這樣保證

44、系統(tǒng)的每臺泵運(yùn)行時間接近，防止有的泵運(yùn)行時間過長，而有的泵卻長時間不用而銹死，從而延長了設(shè)備的使用壽命。5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PLC 的擴(kuò)展模塊 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)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當(dāng)在運(yùn)行的水泵全速運(yùn)行，還未達(dá)到給定壓力時，變頻運(yùn)行的泵被切換到工頻運(yùn)行，變頻器將啟動另一臺泵(即采用軟啟動)6) 完善的各種保護(hù)、報警功能對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現(xiàn)機(jī)械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。當(dāng)水泵的功率較大時，為防止直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器來啟動水泵。運(yùn)行的水泵在斷開電源后，利用其運(yùn)行的慣性切換到

45、工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流。電動機(jī)的熱保護(hù)。雖然水泵在低速運(yùn)行時，電動機(jī)的工作電流較小，但是當(dāng)用戶用水量變化頻繁時，電動機(jī)將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機(jī)的電流可能超過額定電流，導(dǎo)致電動機(jī)過熱。因此電動機(jī)的熱保護(hù)是必須的。具有缺水保護(hù)功能。當(dāng)水泵工作在自動狀態(tài)，為防止當(dāng)水池沒水時水泵空載運(yùn)行，燒壞水泵電機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計一缺水保護(hù)電路。當(dāng)水池缺水時，保護(hù)電路中繼電器常開觸點(diǎn)斷開，切斷控制電路電源，從而保護(hù)系統(tǒng)。7) 滿足用戶在用水高峰時的用水要求根據(jù)用戶最大用水量和供水高度的計算，本系統(tǒng)采用揚(yáng)程 61m，流量 12.6 立方米每小時，軸功率 5.5KW 的主泵三臺；揚(yáng)程 48m，流量 7

46、 立方米每小時，配套功率 2.2KW 輔泵一臺。系統(tǒng)最大功率為 16.5KW，揚(yáng)程為 61m。第 5 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計145 5.1.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型系統(tǒng)主要設(shè)備的選型5.1.1、 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個方面。其總的原則是功能性能保證可靠地滿足工藝要求，其次是獲得較好的性能價格比。1、變頻器的型式選擇 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類：普通功能型 U/F 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能 U/F 控制變頻器和矢量控制高性能型變頻器。通用

47、變頻器類型的選擇根據(jù)負(fù)載特性進(jìn)行。對于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇專用或普通功能型通用變頻器。對于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機(jī)械應(yīng)選用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型通用變頻器，這種通用變頻器低速轉(zhuǎn)矩、靜態(tài)機(jī)械特性硬度大，不怕負(fù)載沖擊，具有挖土機(jī)特性。2、變頻器容量選擇： 變頻器的容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機(jī)功率和額定容量。其中后兩項變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流量是一個反映半導(dǎo)體變頻器裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變

48、頻器容量的基本原則。3、變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，所以必須考慮溫度，濕度，粉塵，酸堿度，腐蝕性氣體等因素，這些因素與能否長期安全、靠運(yùn)行有很大的關(guān)系。常見有下列幾種結(jié)構(gòu)類型可供設(shè)計中選用：（1）敞開 IP00 型：本身無機(jī)箱，可裝在電控箱內(nèi)或電氣室內(nèi)的屏，盤，架上，尤其適于多臺變頻器集中使用，選用這種型式較好，但環(huán)境條件要求較高。（2）封閉 IP20 型：適用一般用途，用于有少量粉塵或少許溫度變化的場合。（3）密封 IP45 型：適于工業(yè)現(xiàn)場條件較差的環(huán)境。（4）密封 IP65 型：適于環(huán)境條件差，有水、灰塵及一定腐蝕性氣體的場合。 根據(jù)以上理論，選用西門子 Mi

49、croMaster430 型變頻器。MicroMaster430 變頻器適合用于各種變速驅(qū)動裝置，由于其靈活性而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，所以這種變頻器尤其適合用于工業(yè)部的水泵和風(fēng)機(jī)的驅(qū)動。它具有很高的運(yùn)行可靠性和功能多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運(yùn)行的噪聲，在應(yīng)用中得到證明的良好性能和使用中的簡便舒適。與 MicroMaster420變頻器相比，這種變頻器具有更多的輸入和輸出端，具有手動/自動切換功能的操作面板，以及適應(yīng)軟件的功能。該變頻器具有以下特性，如表 5-1 所示。15表 5-1 MICROMASTER430 變頻器的額定性能參數(shù)表5.1.2、可編程序控制

50、器選型PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(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。選擇 PLC 應(yīng)包括 PLC 機(jī)型、容量等的選擇。1、PLC 機(jī)型選擇在選擇 PLC 機(jī)型時，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、帶擴(kuò)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(shè)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)。2、PLC 容量的選擇 PLC 的容量包括 I/O 點(diǎn)數(shù)和用戶存

51、儲容量兩個方面。 （1） 、I/O 點(diǎn)數(shù)選擇：由于 PLC 平均的 I/O 點(diǎn)數(shù)價格比較高，所以在滿足控制要求的前提下力爭使用 I/O 點(diǎn)最少，但必須留有一定的裕量。通常 I/O 點(diǎn)數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要，再加上 10%15%的裕量來確定。 （2） 、存儲容量的選擇：PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)的多少，在很大程序上反映了 PLC 系統(tǒng)的功能要求，因此可在 I/O 點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按存儲容量（字節(jié)）=開關(guān)量I/O 點(diǎn)數(shù)模擬量 I/O 通道數(shù)100，再加上 20%30%的裕量。根據(jù)系統(tǒng)要求和功能，PLC 選用西門子 S7-200 系列的 CPU224 型。CPU224本機(jī)集成了

52、14 點(diǎn)輸入和 10 點(diǎn)輸出，共有 24 個數(shù)字量 I/O。它可連接 7 個擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至 168 點(diǎn)數(shù)字量 I/O 點(diǎn)或 35 路模擬量 I/O 點(diǎn)。CPU224 有 13K 字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存貯空間，6 個獨(dú)立的 30KHZ 高速計數(shù)器，2 路獨(dú)立的 20KHZ 高速脈沖輸出，具有 PID 控制器。CPU224 配有 1 個 RS-485 通訊/編程口，具有 PPI通訊、MPI 通訊和自由方式通訊能力，是具有較強(qiáng)控制能力的小型控制器。165.1.3、水泵及其電動機(jī)的選擇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。水泵和電動機(jī)是供

53、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：1) 水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實際供水高度。2) 水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。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。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。5) 水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失。6) 安裝管理方便。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。選

54、用多臺水泵時，水泵的型號最好相同，這可便于安裝和維修養(yǎng)護(hù)管理。在此例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 36 臺。5.1.4、壓力傳感器的選擇壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的壓力信號變成 1-5V 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

55、力變送器，所以選擇 CYYB-120 系列壓力變送器它采用 CYYB-105 系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償及非線性修正、V/I 變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有 420mA 標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。5 5.2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計系統(tǒng)電路設(shè)計 5.2.1 主電路圖 電氣控制系統(tǒng)主電路圖如圖 5-2 所示。圖中，M1#， M2#， M3#， M4#為四臺水泵電機(jī)，KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8 為控制四臺電機(jī)的接觸器，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3， FR4 為電機(jī) M1#，M2#，M3#，M4#過載保護(hù)用的熱繼電器，QF1、Q

56、F2、QF3、QF4、QF5、QF6 為空氣開關(guān)。17 M3MM430變頻器M3M3M3KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8QF3QF4QF5QF6ABCNL1L2L3QF1QF2FR1FR2FR3FR4M1#M2#M3#M4#R STU V W 圖 5-2 主電路圖5.2.2 控制電路圖本系統(tǒng)的電氣控制線路如圖 5-3 所示。圖中，SA 為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，在手動狀態(tài)可以按動按鈕 SB1SB10 控制四臺泵的起停，在自動狀態(tài)時，根據(jù)PLC 的程序運(yùn)行，自動控制泵的起停。HL1HL8 為各種運(yùn)行指示燈。中間繼電器 KA1 的一個常開觸點(diǎn)接 PLC 的輸入點(diǎn) I0.2，控制自動狀態(tài)

57、的起動；中間繼電器 KA1 的三個常閉觸點(diǎn)接在四臺泵的手動控電路上，控制四臺泵的手動運(yùn)行。FRlFR4 為四臺泵機(jī)的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，可對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。KA1KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7SB10SB9SB8SB7SB5SB6SB3SB4SB1SB2KM1KM1KM1KM2KM3KM2KM3KM3KM4KM5KM4KM5KM5KM6KM7KM6KM8KM8KM5KA1KA1KA1KA1HL2HL3HL4HL5HL6HL7HL8KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7HL1L1NQF7KA24231FR1F

58、R2FR3FR4SA 圖 5-3 控制電路圖185.2.3 PLC 與變頻器的外部接線圖1、PLC 的外部接線圖本系統(tǒng)占用 PLC 的 3 個輸入點(diǎn)，8 個輸出點(diǎn)，PLC 的外部接線圖如圖 5-5 所示，PLC 的具體 I/O 分配情況見表 5-4： 表 5-4 PLC I/0 分配表220VKM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7DCOM3LQ0.72LQ0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.01LDIN1NLML+24V1MI0.0I0.1I0.2變頻器上限頻率信號變頻器下限頻率信號啟動信號1號電機(jī)接變頻器1號電機(jī)接工頻電源2號電機(jī)接變頻器3號電機(jī)接變頻器4號電機(jī)接變頻器2

59、號電機(jī)接工頻電源3號電機(jī)接工頻電源變頻器運(yùn)行、停止信號S7 200圖 5-5 PLC 外部接線圖192、變頻器的外部接線圖如圖 5-6 所示 PLC 的 I0.1，I0.2 接變頻器的端子 19、21，L+接端子20、22，以便把變頻器上限頻率信號和下限頻率信號送到 PLC 中。變頻器上限頻率一般設(shè)置為 4949.5HZ，下限頻率為防止水泵轉(zhuǎn)速較低，形成“空轉(zhuǎn)” ，一般設(shè)置為 2530HZ。 PLC 的 3L、Q0.7、分別接變頻器的端子 9、5，以實現(xiàn)用 PLC的信號控制變頻器運(yùn)行和停止。利用變頻器兩個的可編程繼電器輸出端口 19、21進(jìn)行功能設(shè)定，當(dāng)變頻器頻率達(dá)到上限頻率時，19 的常開觸

60、點(diǎn)閉合。當(dāng)變頻器頻率達(dá)到下限頻率時，21 的常開觸點(diǎn)閉合，可以此作為 PLC 的輸入信號，判斷是否進(jìn)行加泵或切泵。同時 PLC 的輸出端 Q0.7 作為變頻器的輸入端 5(設(shè)定為變頻器運(yùn)行和停止的控制端)信號以控制變頻器的運(yùn)行和停止。3459MM430變頻器19202122壓力傳感器壓力信號AIN+AIN-RDIN1變頻器運(yùn)行 停止信號變頻器上限 頻率信號變頻器下限 頻率信號圖 5-6 變頻器外部接線圖20第 6 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計6 6.1.1 系統(tǒng)程序功能圖系統(tǒng)程序功能圖為了能直觀的了解程序的設(shè)計，在此畫出了程序功能圖，如圖 6-1 所示，它能清楚的表明系統(tǒng)各個狀態(tài)動作的順序和轉(zhuǎn)化條件 S

61、0.0S0.1S0.3S0.4S0.5S0.7S1.0S1.1S0.2S0.6合上開關(guān) 1#泵變頻運(yùn)行低頻信號10秒運(yùn)行4小時高頻信號10秒高頻信號10秒高頻信號10秒高頻信號10秒低頻信號10秒低頻信號10秒運(yùn)行4小時低頻信號10秒運(yùn)行4小時運(yùn)行4小時運(yùn)行4小時低頻信號10秒高頻信號10秒低頻信號10秒運(yùn)行4小時低頻信號10秒低頻信號10秒高頻信號10秒低頻信號10秒1#泵工頻運(yùn)行2#泵變頻運(yùn)行1#泵工頻運(yùn)行2#泵工頻運(yùn)行3#泵變頻運(yùn)行2#泵工頻運(yùn)行3#泵變頻運(yùn)行1#泵變頻運(yùn)行2#泵工頻運(yùn)行3#泵工頻運(yùn)行1#泵變頻運(yùn)行2#泵工頻運(yùn)行1#泵工頻運(yùn)行2#泵變頻運(yùn)行3#泵工頻運(yùn)行 2#泵變頻運(yùn)行

62、3#泵變頻運(yùn)行 4#泵變頻運(yùn)行圖 6-1 程序功能圖216 6.2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計分析系統(tǒng)程序設(shè)計分析加啟動信號(I0.2 為“1”)后，如果水池水位下限沒達(dá)到時，開始起動程序，此時由 PLC 控制使 1#電機(jī)變頻運(yùn)行(此時 Q0.0，Q0.7 亮)；如果變頻器達(dá)到頻率上限(即有輸入 I0.0 為“1”)，則定時器 T33 開始計時(10s)，計時完畢后關(guān)閉Q0.0，Q0.7，延時 1s，(延時是為了兩方面的原因：一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器；二是讓變頻器減速為 0，以重新啟動另一臺電機(jī)。以下各切換時的延時與此原因相同，將不再贅述。)延時完畢，則 1#電機(jī)投入工頻運(yùn)

63、行、2#電機(jī)投入變頻運(yùn)行(此時 Q0.1、Q0.2、Q0.7 亮)；如果變頻器又達(dá)到頻率下限(I0.0 為“1”)則定時器 T39 開始計時(10s)，計時完畢后關(guān)閉Q0.2、Q0.7，延時隔 1s，延時完畢后，則 1#電機(jī)投入工頻運(yùn)行、2#電機(jī)投入工頻運(yùn)行、3#電機(jī)投入變頻運(yùn)行(此時 Q0.1、Q0.3、Q0.4、Q0.7 亮)；這是一個加電機(jī)的過程。如果運(yùn)行在 1#電機(jī)工頻運(yùn)行、2#電機(jī)工頻運(yùn)行、3#電機(jī)變頻運(yùn)行(即有Q0.1、 Q0.3、Q0.4、Q0.7 亮)的狀態(tài)下，變頻器出現(xiàn)頻率下限(I0.1 為“1”)，則定時器 T43 開始計時(10s)，計時完畢后關(guān)閉 Q0.l，此時 2#電

64、機(jī)處于工頻運(yùn)行、3#電機(jī)處于變頻運(yùn)行(即有 Q0.3、Q0.4、Q0.7 亮)；如果變頻器又達(dá)到頻率下限(I0.1 為“1”)，則定時器 T45 開始計時(10s)，計時完畢后，關(guān)閉 Q0.3，此時3#電機(jī)處于變頻運(yùn)行(即 Q0.4、Q0.7 亮)。這是一個切除電機(jī)的過程。226 6. .3 3 系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計系統(tǒng)程序梯形圖設(shè)計主程序：232425子程序：26中斷程序：27第 7 章 系統(tǒng) PID 的調(diào)節(jié)287.1 PID 調(diào)節(jié)過程分析調(diào)節(jié)過程分析 變頻調(diào)速恒壓供水的目的就是要保證供水能力 QG適應(yīng)用水 QU需求變化。當(dāng)供水能力 QG和用水需求 QU之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此

65、，可根據(jù)壓力的變化，來實現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力 QG和用水需求 QU之間的乎衡。在供水系統(tǒng)中，變頻器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對供水能力實現(xiàn)有效的自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)恒壓供水。其實現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給 PID 調(diào)節(jié)器預(yù)置一個目標(biāo)壓力值，管道中的實際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成 420mA 的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)置的 PID 調(diào)節(jié)器，PID 調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，自動調(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，取得動態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下：(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行當(dāng)供水能

66、力 QG=用水需求 QU，目標(biāo)壓力信號和壓力反饋信號相等，偏差e=y-r，PID 輸出的控制增量 U=0，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變，處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖 7-1 中的 0t1 段圖 7-1 變頻調(diào)速恒壓供水 PID 調(diào)節(jié)（2）用水量增加時當(dāng)用水量增加，用水需求 QU供水能力 QG，水壓下降，壓力反饋信號 y 減少，偏差 e=y-r0，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)到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這是一個動態(tài)變化的過程，在達(dá)到新的平衡狀態(tài)之前，壓力反饋信號 y、偏0000流量Q水壓PPID輸出控制增量u輸出頻率f（轉(zhuǎn)速）nttttt1t2t3t429差 e，控制增量 u 均處于變化之中，其變化過程如圖 7-1 中的 tlt3 段，其中t2t3 段為增加用水量后新的平衡狀態(tài)。（3）用水量減少時當(dāng)用水量減少，用水需求 QU0，PID 輸出的控制增量 u0，變頻器輸出頻率下降，水泵轉(zhuǎn)速降低，降低供水能力，最后達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)，使壓力回復(fù)，維持供需平衡。這一動態(tài)變化過程，如圖 7-1 中的 t3t4 段，其中 t4 段以后為減少用水量后新的平衡狀態(tài)