變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計【說明書+CAD】

變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計【說明書+CAD】,說明書+CAD,變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計【說明書+CAD】,變頻,樓宇,供水系統(tǒng),設(shè)計,說明書,仿單,cad ..大學.. 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務書 論文（設(shè)計）題目： 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計 學號： ..9 姓名： .. 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導教師： .. 系主任： 1、 主要內(nèi)容及基本要求 1、檢索國內(nèi)外恒壓變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展最新動態(tài)以及分析國內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、提出某棟樓宇的變頻恒壓供水系統(tǒng)的總體設(shè)計方案； 3、完成供水系統(tǒng)的軟硬件的部分設(shè)計； 4、闡述并認真解決供水系統(tǒng)的遇到的相關(guān)問題； 5、完成畢業(yè)設(shè)計論文的文稿工作，要求：正文字數(shù)不少于一萬字； 6、翻譯英文技術(shù)資料，要求：與本課題相關(guān)的資料，3000單詞以上，復印原稿 和翻譯稿同冊裝訂； 二、重點研究的問題 1、 變頻恒壓樓宇壓供水系統(tǒng)中的相關(guān)器件的選型； 2、 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的軟硬件部分設(shè)計； 3、 變頻恒壓供水樓宇系統(tǒng)中遇到的問題和解決方法分析； 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 資料檢索，查閱 第一周 2 系統(tǒng)總體方案構(gòu)想和設(shè)計 第二周 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的方案選擇 第三周至第五周 4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計 第六周至第八周 5 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計 第九周至第十二周 6 畢業(yè)設(shè)計論文撰寫和整理 第十三周至第十四周 7 畢業(yè)設(shè)計論文檢查，答辯準備 第十五周 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 周萬珍,高鴻斌(第一版).PLC分析與設(shè)計應用[M]. 北京:北京機械工業(yè)出版社,2004 [2] 韓安榮.通用變頻器及其應用(第二版)[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,2000 [3] 姚厚偉.變頻器供水系統(tǒng)中的應用與節(jié)能[M]. 北京：航空航天大學出版社,2003 [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 [5] 張燕賓.循環(huán)水系統(tǒng)的變頻調(diào)速[M]. 北京:北京機械工業(yè)出版社,2002 [6] 彭小紅,劉國東.基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社,2004 [7] 常斗南.可編程程序控制器原理應用及通信[M].北京:北京機械工業(yè)出版社,2000 ..大學 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： ..9 姓 名： .. 指導教師： .. 完成日期： 2012年5月25日 目錄 一 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2設(shè)計思想 3 二 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 5 2.1 設(shè)計任務及要求 5 2.2控制方案的確定 6 2.3供水系統(tǒng)的控制流程 11 3水泵機組選型 15 3.1選型基本要求 15 3.2容量的確定 15 3.3水泵型號確定 18 4 變頻器的選型 21 4.1 變頻器簡介 21 4.2 變頻器的確定 21 4.3 變頻器外圍設(shè)備選擇 25 5 可編程控制器(PLC) 28 5.2 PLC的工作原理 30 5.3 PLC及壓力傳感器的確定 30 6變頻器與PLC的連接及設(shè)定 31 6.1、I/O分配和變頻器參數(shù)設(shè)置： 31 6.2控制電路外圍接線： 33 7系統(tǒng)軟件的設(shè)計 39 7.1 PLC控制程序設(shè)計 39 7.2主程序圖及程序設(shè)計 41 八 總結(jié) 55 致 謝: 57 一 緒論 1.1研究背景 隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。城市自來水管的水壓一般規(guī)定保證6層以下樓宇的用水，其余上部分各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用水塔、高位水箱，或氣壓罐增壓設(shè)備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結(jié)果增大了水泵的軸功率和能耗。目前，衡量供水質(zhì)量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定對某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，但是用戶用水量是經(jīng)常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上:用水多而供水少，則供水壓力低;用水少而供水多，則供水壓力過大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機運行的安全可靠性。 傳統(tǒng)的供水方式普遍不存在同程度的浪費水資源、電力資源、而且效率不高、可靠性較差、自動化程度不高等缺點。嚴重影響了小區(qū)居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。泵站擔負著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務，水泵機組在運行中需要大量消耗能量，所以提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。國內(nèi)目前的供水方式基本上朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，其中變頻恒壓調(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，在樓宇供水系統(tǒng)中得到廣泛應用，特別是在工業(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，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：一、節(jié)能顯著，效率大幅度提高；二、在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三、大幅度的減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況以及發(fā)展趨勢 變頻恒壓供水系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸相應的發(fā)展起來的。目前國外的變頻恒壓供水系統(tǒng)成熟可靠，恒壓控制技術(shù)可靠。但國外變頻恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計時主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。這種方式運行安全可靠，變壓方式更靈活。但是此方法的缺點就是水泵電機數(shù)量和變頻的數(shù)目一樣多，因而大大提高投資成本高。本系統(tǒng)為節(jié)約設(shè)備投資，只采用一臺變頻器來控制多臺水泵協(xié)調(diào)工作，因此現(xiàn)在的供水專用變頻器具有PID調(diào)節(jié)器以及和PLC集成在一起，組成專用的供水管控一體化系統(tǒng)，只需增加一只水管壓力傳感器，即可組成變頻恒壓供水系統(tǒng)。 目前國內(nèi)外有很多公司在從事進行變頻恒壓供水系統(tǒng)的研制推廣，國產(chǎn)變頻器大多主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，在結(jié)合PLC 或PID調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)變頻恒壓供水。 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發(fā)展，在國內(nèi)外，專門針對供水的變頻器集成化越來越高，大部分專用供水變頻器集成了PLC 或PID，現(xiàn)在甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時維護操作也越來越方便。簡單。 1.2設(shè)計思想 本設(shè)計是對變頻恒壓供水控制系統(tǒng)（軟硬件方面）在實際生活應用中具體作用進行較為詳細的介紹。本系統(tǒng)主要將PLC、變頻器（含PID）、相應的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)地結(jié)合起來，通過發(fā)揮各自優(yōu)勢，來實現(xiàn)操作方便，本系統(tǒng)以變頻器調(diào)速為核心，以變頻恒壓供水控制系統(tǒng)取代了過去的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)，避免了以往起動時產(chǎn)生對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，就可延長水泵機組和水管閥門等器件的使用壽命；也可以消除起動和停機時的水錘效應。使系統(tǒng)調(diào)試和使用起來都十分方便，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。以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能最大程度滿足實際需要，其安全穩(wěn)定的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全的功能，將使供水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終獲得高效率優(yōu)質(zhì)運行，從而大大降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 本變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制路線是：采用變頻器對水泵電動機進行變頻調(diào)速，來組成變頻供水壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的主要控制目標是泵站的總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的回來的總管壓力實際值進行比較，其差值進行PID運算處理后，發(fā)出控制指令，改變水泵電機的轉(zhuǎn)速和控制水泵電機的運行臺數(shù)，從而使出水管壓力值穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值附近。同時本系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，在能源日益短缺的現(xiàn)在尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、以及降低能耗，節(jié)約能源等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。 二 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 2.1 設(shè)計任務及要求 本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，采用PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制4臺電機的轉(zhuǎn)速與啟動和停止。從而以達到變頻恒壓供水的要求。 系統(tǒng)控制要求： （1）生活供水時，系統(tǒng)應該正常壓力工作，消防供水時系統(tǒng)應在高壓下供水。 （2）四臺水泵采用“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。 (3) 水泵電機的能軟起動/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。 (4）變頻器采用遠方控制方式，具有手動控制，方便應急和檢修。 (5) 通過母管壓力變送器測得實際壓力大小，同時和壓力給定組成閉環(huán)控制。 (6) 變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。 (7) 系統(tǒng)要有必要的完善報警處理。 2.2控制方案的確定 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性，是在供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤嵯?，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可以看出，流量Q越大，揚程H越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小取決于用戶的用水情況，揚程特性反映的是揚程H與用水流量間的關(guān)系。圖2-1中交點QA。在這一點，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)既滿足了揚程特性，也符合管阻特性，系統(tǒng)將會穩(wěn)定運行。 圖2-1 供水系統(tǒng)的基本特性曲線 如圖2-2所示，曲線1表示閥門全部打開時，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2表示水泵額定轉(zhuǎn)速時的揚程特性，這時供水系統(tǒng)在A點：流量為QA揚程為HA，電機的軸功率與面積OQAAHA成正比。要將流量調(diào)整為QB，有兩種方法。 (1) 轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小，則工作點移至B點，流量為QB，揚程為HB，電機的軸功率與面積QQBBHB成正比。 (2) 閥門開度不變，降低轉(zhuǎn)速，閥門的開度不變，降低轉(zhuǎn)速后揚程特性曲線如圖2-2中的曲線4所示，工作點移至C點，流量也為QB，揚程為HC。電機的軸功率與QQBCHC成正比。 將上述兩種方法加以比較，很容易的看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，電機的功率將大為減少。 圖2-2水泵的流量調(diào)節(jié) 對供水系統(tǒng)進行變頻恒壓控制，是為了滿足對用戶對流量的需求。所以，流量是本系統(tǒng)的主要控制對象。但如上所述，流量的大小主要取決于揚程，但揚程難以進行具體測量和控制?？紤]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)： 供水流量Qg＞用水需求Qu，則壓力上升(P增加）； 供水流量Qg＜用水需求Qu，則壓力下降(P下降）； 供水流量Qg＝用水需求Qu，則壓力不變(P不變）。 由此可見，供水流量與用水需求之間的矛盾具體將反映在流體壓力的變化上。因此，水管壓力可以作為控制流量大小的主要參變量。保持供水系統(tǒng)中某處壓力值的恒定不變，就可以保證了供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，就會很好處的滿足了用戶所需的用水流量。 根據(jù)電機學交流電動機的轉(zhuǎn)速公式為： (2-1) 其公式中：f 是穩(wěn)壓器頻率、 p是極對數(shù)、n是轉(zhuǎn)速、s 是轉(zhuǎn)差率。 從上式可以看出，當極對數(shù)p不變時，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源頻率戚正比，因此調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，也就可以連續(xù)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速。在變頻調(diào)速時，、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、平穩(wěn)性較高等優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，目前被廣泛地應用于對水泵電機的調(diào)速。在供水系統(tǒng)中，通常以流體流量為控制目的，目前常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。其中閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度大小來調(diào)節(jié)流量，而水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其通過改變水路中的阻力大小來改變流量大小，但是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時，需要多少水，就抽多少水，水泵的效率不變，但總處于最佳狀態(tài)。 本系統(tǒng)主要硬件組成有壓力傳感器、變頻器、可編程PLC、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務是利用變頻器控制四臺水泵，來實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸。由PLC和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，而且又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 整個系統(tǒng)由一臺PLC，一臺變頻器，水泵機組（本系統(tǒng)為4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： （1）水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水； （2）壓力變送器安裝于供水管道出口上將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號； （3）變頻調(diào)速器主要用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速從而達到調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量目的； （4）PLC主要用于水泵的邏輯切換、控制等； （5）外圍輔助電路是當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時隨時可以通過手工檔方式維持系統(tǒng)運行，以保障連續(xù)供水。 （6）報警信號是當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，具有報警作用。 系統(tǒng)主要的設(shè)計任務是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制4臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)出口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，而且同時對運行過程中的數(shù)據(jù)信號進行傳輸，處理。通過壓力傳感器檢測管道壓力信號不斷反饋給變頻器，變頻器根據(jù)信號來自動調(diào)節(jié)所控制水泵的電機轉(zhuǎn)速，當變頻器所控制的水泵達到工頻時還不能滿足要求時在由PLC自動把那臺水泵切換到工頻運行，變頻器自動切換到下一臺水泵使其軟啟動運行，當供水量減少時在自動進行切換，減少水泵運行臺數(shù)，實現(xiàn)自動控制。本系統(tǒng)設(shè)計時還考慮到水泵切換時電機的自感電動勢現(xiàn)象，各種連鎖保護及報警、應急措施。 圖2-3系統(tǒng)總體框圖 從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 (1)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個部分。 ①PLC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、報警信號進行采集取樣，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PID控制算法，從而得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，在通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵)進行控制。 ②變頻器:它主要是對水泵進行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器通過PLC供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對水泵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。 ③電控設(shè)備:它主要由一組接觸器、保護繼電器、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。 （2）信號檢測 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。 ①水壓信號:反映了用戶管網(wǎng)的實際水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號。 ②報警信號:監(jiān)測系統(tǒng)是否正常運行，水泵是不是過載、變頻器是否正常工作，是開關(guān)量信號。 （3）執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)就是一組水泵，使它們協(xié)調(diào)工作，通過控制系統(tǒng)的增減泵，保證用戶管網(wǎng)的水壓保持在恒定值附近。 （4）報警裝置 一個自動控制系統(tǒng)，離不開報警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運行，防止水泵過載、變頻器異常、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行監(jiān)測，經(jīng)PLC收集判斷，從而進行各種顯示和保護動作控制，維護系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 2.3供水系統(tǒng)的控制流程 系統(tǒng)流程圖如圖2-4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一系列的運算后將結(jié)果送給變頻器，并給出信號控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速和水泵水量來保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，壓力值和參數(shù)設(shè)定都可以由人機界面完成。主要由PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機組等構(gòu)成閉環(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進行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。水泵在起動時的急轉(zhuǎn)和突然停機時的水錘現(xiàn)象往往會造成管道松動和破裂，嚴重的話可能造成電動機的損壞，但水泵采用變頻器調(diào)速后，可以根據(jù)實際的需要，實現(xiàn)水泵的軟啟和軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決?？梢员苊馑瞄L期滿負載狀態(tài)，減緩老化，也具有節(jié)能的作用，節(jié)電率一般在15%—40%之間。 圖2-4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖 如圖2-5所示為電控系統(tǒng)主電路。四臺電機分別為MA1、MA2、MA3 、MA4，接觸器QA1、QA3、QA5、QA7，分別控制四臺電機的工頻運行。接觸器QA2、QA4、QA6、QA8分別控制四臺電機的變頻的運行，F(xiàn)R1、FR2、FR3，F(xiàn)R4，分別為四臺電機的過載保護用的熱繼電器；QA10、QA20、QA30、QA40、QA50，分別為變頻器和四臺水泵電動機的主電路的隔離開關(guān)；QA0為主電源的電路總開關(guān)，VVVF為本設(shè)計所選的變頻器。 圖2-5 主電路電器原理圖 增泵工作過程：假定增泵順序為l、2、3、4始時，1泵電機在PLC控制下先投入調(diào)速運行，其運行速度主要由變頻器調(diào)節(jié)。當供水壓力小于壓力設(shè)定值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之則下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到設(shè)定值時，就需進入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1泵電機直接切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接，控制2泵進行調(diào)速運行。如果還沒到達設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行，還沒達到要求時，則將3水泵切換到工頻，4水泵投入變頻運行。 減泵工作過程：假定減泵順序依次為4、3、2、1泵。當供水壓力大于設(shè)定值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于設(shè)定值時，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調(diào)速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當將最后一臺正在運行的水泵置于低速運行。 3水泵機組選型 3.1選型基本要求 工作水泵型號和臺數(shù)的選擇，應根主要據(jù)用水量變化，要求的水壓大小，機組的效率和功率因素等確定。水泵和電動機是供水系統(tǒng)的能耗重要組成部分，水泵選擇恰當與否和能耗費用有很大的關(guān)系。但選泵時應先要滿足供水系統(tǒng)的要求: (1)水泵揚程應略大于實際供水高度； (2)水泵機組最大流量應大于實際最大供水量； (3)水泵能力足以供應最高用水量時的用水量，揚程應在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量； (4)水泵構(gòu)造應使泵站內(nèi)管線簡單，以減少供水的沿程壓力，局部壓力損失； (5)盡量滿足安裝管理方便。 3.2容量的確定 設(shè)某學校公寓共有5棟樓，均為7層，每層20間，總間數(shù)5*7*20=700間。樓宇總最大高度約為32米。 （1） 經(jīng)過我調(diào)查分析，用水量主要分三個階段。 (1)最大用水量；(一間10桶/h) (2)基本用水量；(一間5桶/h) (3)最少用水量；（一間1桶/h) （2）、宿舍的調(diào)查（現(xiàn)取平均值，單間公寓宿舍平均住4人）： N=5*7*20*4=2800 （3）5棟公寓宿舍總共日用水量統(tǒng)計如下（以小時為單位）： 1、 最大用水量=10桶 *0.02 m* 700間=140 m／h、 基本用水量=5桶* 0.02 m *700間=70m／h、最少用水量=1桶 0.02m * 700間=14 m／h 經(jīng)上統(tǒng)計，學校公寓日用水量制成表格如下： 時段 用水量（單位：m／h） 備注 0：00-1:00 70 基本用水量 1:00-2:00 70 基本用水量 2:00-3:00 14 最少用水量 3:00-4:00 14 最少用水量 4:00-5:00 14 最少用水量 5:00-6:00 14 最少用水量 6:00-7:00 70 基本用水量 7:00-8:00 140 最大用水量 8:00-9:00 70 基本用水量 9:00-10:00 70 基本用水量 10:00-11:00 70 基本用水量 11:00-12:00 70 基本用水量 12:00-13:00 140 最大用水量 13:00-14:00 70 基本用水量 14:00-15:00 140 最大用水量 15:00-16:00 70 基本用水量 16:00-17:00 70 基本用水量 17:00-18:00 140 最大用水量 18:00-19:00 70 基本用水量 19:00-20:00 70 基本用水量 20:00-21:00 70 基本用水量 21:00-22:00 140 最大用水量 22:00-23:00 70 基本用水量 23:00-0:00 70 基本用水量 表3-1 水量使用情況表 為了計算方便，現(xiàn)取這些用水點日用水量為最大用水量的2%， 即：140m /小時* 2%=2.8m／h 因此我們可以得出，在高峰期校園公寓的最大用水量為（單位：m／h)： q=140+7=142.8m／h 在計算揚程時一般以供水區(qū)域內(nèi)最高建筑物的高度作為依據(jù)，理論上若0.1MP 可以獲得約10米的揚程，一般要求泵的額定揚程 為其計算所得的裝置的最大揚程 的1.1~1.15倍。 校園公寓相對水泵的最大的高度約為32米，因此 H0=1.15×32=36.8m 因此所需要的供水壓力約為0.368MPa 3.3水泵型號確定 （1）水泵的有效功率Pu確定： 泵在單位時間內(nèi)對液體所做有用功即泵的輸出功率，稱為有效功率（單位為kW）。它和流量、揚程的關(guān)系如下 其式中 為液體密度（單位為kg/m）；g為重力加速度（9.81m/s2 ）；q為泵的流量（單位為單位為m3 /h）；H為泵的揚程。 由于一般要求泵的額定流量 為其計算所得的裝置的最大流量的1.1~1.15倍。( q=1.15*142.8/3600=0.0456m／s)則計算得： Pu=16.46 kw （2）軸功率Pa 泵在一定的流量和揚程工作時，電動機輸送給泵軸的功率，即輸入泵的功率，又稱泵的輸入功率。 （3）泵的效率確定： 一般小型泵的效率為0.6～0.7，而大型泵可達0.8～0.9。根據(jù)泵房大小和安裝要求，我們選擇小型泵 ，因此取泵的效率為0.6 來進行計算，則軸功率為 （4）電動機總功率 Pg=Pa×（1.1～1.2） Pg=27.43×1.2=32.91kw 綜上所述，我們選用4臺功率為11KW的電機進行工作。三臺工作和一臺備用 （5）電機型號的確定 根據(jù)我們的安裝條件和實際情況需求，以及對比《電機選型及參數(shù)手冊》可得四臺11kw的電機型號為y160m1-2. 表3-2 電機參數(shù)表 （6）泵的型號的確定: 對于11kw的電機所搭配的泵，同理我們可以讀出如下數(shù)據(jù)，由此表對比可以得出：對于11kw的電機所搭配的泵的型號為：80LG50-20×2 型號 流量 揚程 轉(zhuǎn)速 軸功率 功率 效率 葉輪外徑 50LG24-20×4 24 80 2950 7.58 11 69 134 50LG24-20×5 24 100 2950 9.47 11 69 134 80LG50-20×2 50 40 2950 7.26 11 75 135 80LG50-20×3 36 60 2950 8.11 11 72.5 136 表3-3 泵參數(shù)表 4 變頻器的選型 4.1 變頻器簡介 變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，從而以實現(xiàn)對電機的變頻調(diào)速。變頻器主要包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制作用，整流電路的作用是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行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 目前變頻器的總體發(fā)展趨勢向結(jié)構(gòu)的小型化，專用化，網(wǎng)絡化，高水平的控制等方向發(fā)展。 4.2 變頻器的確定 在交流變頻器中使用的控制方式主要有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方式。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，在改變電源頻率而進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，直接可以改變頻率到達控制速度的目的，但不能達到很高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。但在一般精度不高的場所都使用此類控制方式。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照電動機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使電動機具有對應的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。但其復雜，一般用于精度要求高的地方。 (3) 矢量控制 矢量控制通過控制電動機定子電流的大小和相位，從而達到對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而控制電動機轉(zhuǎn)矩。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，達到各種不同的控制目的。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來觀測定子磁鏈的目的，省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也可以輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能，成本較高，所以一般用于高精度場所。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，選用變頻器時不一定檔次越高越好，只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。當一臺變頻器控制驅(qū)動多臺電機時，最佳選擇U/f的控制模式，下表中參數(shù)供選用時參考。 控制方式 U/f=C控制 電壓空間矢量控制 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 反饋裝置 不帶PG 帶PG或PID調(diào)節(jié)器 不要 不帶PG 帶PG或編碼器 速比I <1:40 1:60 1:100 1:100 1:1000 1:100 起動轉(zhuǎn)矩（在3Hz） 150% 150% 150% 150% 零轉(zhuǎn)速時為150% 零轉(zhuǎn)速時為>150%~200% 靜態(tài)速度精度/% ±（0.2~0.3） ±（0.2~0.3） ±0.2 ±0.2 ±0.02 ±0.2 適用場合 一般風機、泵類等 較高精度調(diào)速，控制 一般工業(yè)上的調(diào)速或控制 所有調(diào)速或控制 伺服拖動、高精傳動、轉(zhuǎn)矩控制 負荷起動、起重負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動大負載 表4-1控制模式參數(shù)表 故綜上所述選擇U/f=C為變頻器的控制方法 變頻器的容量確定 變頻器的容量關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此合理的容量將保證最優(yōu)的投資。當一臺變頻器控制多臺電動機時，變頻器的容量應比多臺電動機容量之和都要大，變頻器的總?cè)萘康脑瓌t是變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動的電動機的功率和電流。因為變頻器的過載能力遠沒有電機的過載能力強，一旦電機過載，損壞的首先將是變頻器。以下給出了從電流、效率、計算功率等三種基本的容量選擇方法; 1、 從電流的角度考慮 大多數(shù)變頻器容量都可從三個角度選擇：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。 在選擇變頻器時，變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關(guān)鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。其重要的是，在確定變頻器容量前應了解設(shè)備的工藝情況以及電動機各參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。 2、 從系統(tǒng)效率方面 系統(tǒng)最終效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有當兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點： （1） 變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適。 （2）當變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率。 （3）電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。 （4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，也可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器。 （5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。 3、從計算功率的角度 對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式： (1)滿足負載輸出：Pcn≥Pm／η (3.1) (2)滿足電動機容量：Pcn≥√3KUeIe cosφ ×10 -3 (3.2) (3)滿足電動機電流：Icn≥KIe (3.3) 式中Pcn為變頻器容量（單位kW），Pm--負載要求的電動機軸輸出功率（單位KW）， U為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），η為電動機效率（通常約為0．85），cosφ為電動機功率因數(shù)（通常約為0．75），k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常K約為1．05～1．1）。 將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得Pcn=12.9kw ，Icn=23.98A所取變頻器三墾SAMCO-vm05-11k額定容量為16.6kw,額定電流為24A的變頻器。該變頻器采用 V/f 分離與自由的 V/f 圖形功能，完全應對各類電機的特殊要求，具有自動節(jié)能運行功能、 低電壓補償功能，隨時應對惡劣的電網(wǎng)環(huán)境、 超強通訊功能，應對多種總線需求、具備輸入、防止電源斷線損壞，變頻器標準的內(nèi)置PID反饋控制功能。 4.3 變頻器外圍設(shè)備選擇 1、 斷路器 變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時，過電流，電源電壓過低時進行保護。選擇主要原則如下： (1)變頻器在剛接通電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍； (2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流； (3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。 為了避免誤動作，斷路器的額定電流應選： =24*1.4 =33.6A (3.4) 其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇QF=40A。 2、 接觸器 (1)主要作用： 可通過按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。 (2)選擇原則： 接觸器選擇主要考慮電動機在工頻的啟動情況，其觸點電流可以按電動機的額定電流在加大一個檔次來選擇，由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流=33.6即可，可以選擇主觸點額定電流為35的接觸器。 3、 制動電阻 準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況進行調(diào)整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應根據(jù)制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電 4、 壓力傳感器 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間變化的電壓信號與標準信號進行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，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。 壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力-電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標的要求。傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60℃，輸出電壓為0～5V，供電電源在28V左右，適合作為本系統(tǒng)的反饋信號供給PLC。下列為CY-YZ-1001實物圖： 5、安裝與配線注意事項 （1） 變頻器的輸入端R、S、T和輸出端U、V 、W是絕對不允許接錯的，否則將引起兩相間的短路而將逆變管燒壞。 （2） 變頻器都有一個接地端子“E”，用戶應將此端子與大地相接。變頻器與其他設(shè)備，或多臺變頻器一起接地時，每臺設(shè)備都必須分別和地線相接，不允許將一臺設(shè)備接地端和另一臺設(shè)備的接地端相接后接地。 （3） 在進行變頻器的控制端子接線時，務必與主動線分離，也不要配置在同一配線管內(nèi)，否則可能產(chǎn)生誤動作。 （4） 壓力設(shè)定信號線和來自壓力傳感器的反饋信號線必須采用屏蔽線，屏蔽線的屏蔽層與變頻器的控制端子ACM連接；屏蔽線與另一端的屏蔽層懸空。 5 可編程控制器(PLC) 5.1 PLC的定義及特點 在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)查，于1987年的2月頒布了第三稿。終于對可編程控制器做如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式運算操作電子裝置。專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術(shù)運算功能，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械的生產(chǎn)過程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充功能的原則設(shè)計。PLC的主要特點如下： 1、可靠性 為提高抗干擾能力，PLC在硬件和軟件方面都采取了許多措施，在電子線路，機械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了許多生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)控制經(jīng)驗，主要都采取大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計有著完善的通道保護和信號調(diào)理電路，結(jié)構(gòu)上，在耐熱、防潮、防塵等都有周到的考慮，而在硬件上，采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施，在軟件上、采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施，采用信息保護和恢復技術(shù)，以及實施報警和運行信息顯示等，PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動作都由無觸點的電子儲存器件來完成，所以這些措施都可以使PLC的抗干擾能力和可靠性大大的提高。 2、I/O模塊 按PLC的I/O點數(shù)的多少可以將PLC分成三類，小型機、中型機和大型機。 小型機的I/O點數(shù)一般在128點以下，具有較強的通信能力和一定量的模擬量處理能力。中型機I/O的點數(shù)在128—2048點之間，具有極強的開關(guān)量邏輯控制功能，和強大的通信聯(lián)網(wǎng)功能和模擬量處理能力。而大型機I/O點數(shù)則在2048點以上。其性質(zhì)已經(jīng)和計算機相當，具有計算、控制、調(diào)節(jié)功能，具有強大的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力和冗余能力。PLC還針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如： 交流或直流； 開關(guān)量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備，如： 按鈕 行程開關(guān) 接近開關(guān) 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。 3、整體和模塊式結(jié)構(gòu) 微型和小型的PLC一般為整體式，整體式的結(jié)構(gòu)特點是將PLC的基本部件，如CPU板，I/O接口，電源板等緊湊的安裝在一個標準機殼內(nèi)，構(gòu)成一個整體，組成PLC的一個基本單元， 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)的大中型PLC和大型PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 4、編程簡單易懂 PLC面向底層用戶的智能控制器，因為其最初的目的就是取代繼電器邏輯，所以，在PLC誕生之時，其設(shè)計者充分考慮到現(xiàn)場工程技術(shù)人員的技能和習慣。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。 5、易安裝，易維修 PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設(shè)備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。 6、 PLC的發(fā)展趨勢 PLC總的發(fā)展趨勢是向高集成度，小體積，大容量，高速度，易使用，高性能，信息化，標準化等方向發(fā)展， 5.2 PLC的工作原理 PLC的工作方式可分為三個部分，上電處理、掃描過程、出錯處理等，PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個階段。全過程掃描一次所需的時間稱為掃描周期。當PLC處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)部處理和通信操作服務等內(nèi)容。在PLC處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 5.3 PLC及壓力傳感器的確定 由設(shè)計題目要求：水泵M1、M2、M3、M4可變頻運行，也可工頻運行，需要14個數(shù)字和1個模擬輸出點，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求需要6個數(shù)字和1個模擬輸入，綜上所需，選擇西門子的S7-200系列PLC足以滿足要求。如果選用CPU224PLC，也需要擴展單元；但如果用CPU226PLC，則價格較高，浪費較大，參考西門子S7—200產(chǎn)品市場價格，選用CPU224（14輸入/10繼電器輸出）一臺，加上一臺擴展模塊EM222（8點繼電器輸出）再擴展一個模擬量模塊EM235（4AI/AO），這樣配置比較經(jīng)濟。在S7—200系列PLC可以適用于小型的檢測、監(jiān)控及控制的自動化場合，如果CPU自帶的I/O點數(shù)不夠用需要加擴展模塊時，可以提供常用的模擬量和開關(guān)量的模塊供您選擇。S7—200系列PLC模擬量模塊采用的是12位分辨率，一般場合下精度夠用了。 6變頻器與PLC的連接及設(shè)定 6.1、I/O分配和變頻器參數(shù)設(shè)置： 控制系統(tǒng)的I/O信號的名稱，代碼及地址編號如下圖，水位上下限信號分別I0.1、I0.2，它們在水淹沒時為0，露出時為1。 名 代號 地址編號 信號輸入 消防信號 SFO I0.0 水池水位下線信號 BGL I0.1 水池水位上線信號 BGH I0.2 變頻器報警信號 KFU I0.3 消鈴按鈕 SF9 I0.4 試燈按鈕 SF10 I0.5 遠程壓力表模擬量壓力值 UP AIWO 輸出信號 1#水泵工頻運行及指示燈 QA1，PG1 Q0.0 1#水泵變頻運行及指示燈 QA2，PG2 Q0.1 2#水泵工頻運行及指示燈 QA3，PG3 Q0.2 2#水泵變頻運行及指示燈 QA4，PG4 Q0.3 3#水泵工頻運行及指示燈 QA5，PG5 Q0.4 3#水泵變頻運行及指示燈 QA6，PG6 Q0.5 4#水泵工頻運行及指示燈 QA7，PG7 Q0.6 4#水泵變頻運行及指示燈 QA8，PG8 Q0.7 生活/消防轉(zhuǎn)換電磁閥 MB2 Q1.0 水池水位上線信號報警燈 PG9 Q1.1 變頻器故障信號報警燈 PG10 Q1.2 火災報警指示燈 PG11 Q1.3 報警電鈴 PB Q1.4 變頻器頻率復位控制 KF Q1.5 控制變頻器頻率電壓信號 Vf AQWO 表6-1 I/O分配表 變頻器參數(shù)設(shè)置，正確的變頻器的設(shè)定對系統(tǒng)影響至關(guān)重要，下表為本系統(tǒng)的一些參數(shù)設(shè)定值： 序號 功能代號 功能名稱 設(shè)定值 備注 1 071 選擇電機控制模式 4 內(nèi)置PID 2 160 選擇供水購件的模式 11 1控4 3 161—167 使用電動機的設(shè)定 161=1,162=1,163=1,164=1 根據(jù)系統(tǒng)所帶電動機 4 001 選擇運轉(zhuǎn)指令 2 停電時自動再啟動 5 007 上限頻率/HZ 50 根據(jù)需要 6 008 下線頻率/HZ 20 根據(jù)需要 7 003 U/F圖形 2 根據(jù)水泵設(shè)定 8 175 壓力指令/MPa 0.36 根據(jù)需要 9 177 模擬反饋增益壓力/MPa 0.6 遠傳壓力表量程值 10 178 上線壓力/MPa 0.38 根據(jù)實際 11 179 下線壓力/MPa 0.34 根據(jù)實際 12 002 選擇1速頻率的設(shè)定方法 1 使指令與反饋不沖突 13 630 輸入端子D11定義選擇 1 正傳指令“FR” 14 631 輸入端子D12定義選擇 5 空轉(zhuǎn)指令“MBS” 表6-2 變頻器參數(shù)設(shè)置表 6.2控制電路外圍接線： 如下圖6-1電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SF為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SF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SF1~SF10控制四臺水泵的啟/停和電磁閥MB2的通/斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序的控制下運行。由于電磁閥的MB2沒觸點，所以要使用一個中間斷電器KF1間接控制MB2，來實現(xiàn)MB2手動自鎖功能。圖中的PG12動運行狀態(tài)的電源指示燈，對變頻器頻率進行復位時只能提供一個干觸點信號。由于PLC為4個輸出點可作為一個組共用一個COM端，而本系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以要通過一個中間繼電器KF的觸點來對變頻器進行復頻控制。圖中Q0.0~Q0.7及Q1.0~Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點，邊上的2、4、6···數(shù)字線為接線編號。 圖6-1電控系統(tǒng)控制電路 外圍接線圖如下6-2所示PLC以及擴展模塊外圍接線圖，火災時，火災信號SFO被觸動，I0.0為1，報警電鈴想起。下圖只是簡單表明PLC和外部擴展模塊的外圍接線，并沒有表現(xiàn)按嚴格意義的外圍接線情況，忽略了一些較不主要的因素例如：直流電源的容量，電源方面的抗干擾措施，輸出方面的保護措施，系統(tǒng)的保護措施等； 圖6-2 PLC外圍接線圖 本程序分為三個部分；主程序、子程序和中斷程序。 邏輯運算及報警處理等放在主程序，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)約掃描時間，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，生活供水系統(tǒng)設(shè)定值為最大量程的70%，但是消防用水系統(tǒng)設(shè)定值為90%，在本系統(tǒng)中，只是用比例P和積分I控制，回路增益和時間常數(shù)在通過工程計算初步確定，但是要進一步調(diào)整達到最優(yōu)效果，本系統(tǒng)由參考書PID指令的使用一節(jié)初步確定增益和時間常數(shù)： 增益Kc=0.25; Ts=0.2s 積分時間Ti=30min 程序中使用的PLC元器件及其功能表如下; 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過程變量標準化值 T39 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD104 壓力給定值 T40 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI計算值 M0.0 故障結(jié)束脈沖信號 VD112 比例系數(shù) M0.1 泵變頻啟動脈沖 VD116 采樣時間 M0.3 倒泵變頻啟動脈沖 VD120 積分時間 M0.4 復位當前變頻運行泵脈沖 VD124 微分時間 M0.5 當前泵工頻運行啟動脈沖 VD204 變頻器運行頻率下限值 M0.6 新泵變頻啟動脈沖 VD208 生活供水變頻器運行頻率上限 M2.0 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD212 消防供水變頻器運行頻率上限 M2.1 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD250 PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲單元 M2.2 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB300 變頻工作的水泵號 M2.3 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VB301 工頻運行的水泵的總臺數(shù) M3.0 故障信號匯總 VD310 倒泵時間存儲器 M3.1 水池水位下限故障邏輯 T33 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.2 水池水位下限故障消鈴邏輯 T34 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.3 變頻器故障消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時間控制 M3.4 火災消鈴邏輯 T38 工頻減增泵濾波時間控制 表6-3 器件及其功能表 7系統(tǒng)軟件的設(shè)計 7.1 PLC控制程序設(shè)計 本系統(tǒng)主要以PLC和變頻器為核心，控制四臺水泵電機進行工作，本系統(tǒng)主要程序能完成成套裝置的全部控制任務，下為程序結(jié)構(gòu)圖： 圖7-1 PLC程序結(jié)構(gòu) S7-200PLC在STEP7-MicroWIN-V40環(huán)境下具有程序編制，通訊口配置，運行監(jiān)控，輸入輸出以及模擬量的輸入濾波設(shè)置等功能，該軟件指令集包包含三種語言，語句表語言（STL），梯形圖語言（LAD），功能塊圖（FWD),語句表語言類似計算機的匯編語言，特別適合來自計算機領(lǐng)域的工作人員，而梯形語言最接近繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電器原理圖，是應用最多的一種語言。功能完善，操作方便。PLC控制程序由一個主程序和若干子程序組成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務的完成，在通過RUN模式下主機循環(huán)掃描下執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。 PLC的主程序主要由系統(tǒng)初始化程序，水泵電機啟動程序，4臺水泵電機的變頻/工頻切換程序，水泵電機換機程序模擬量（壓力，頻率）計算比較程序，和報警程序等。 （1）初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候，要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在工作的時候?qū)φ麄€，先對各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢查，報警處理，以及對上下頻率，PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，在初始化最后進行中斷連接，系統(tǒng)進行初始化是主程序進行調(diào)用主程序來完成的。 （2）增，減泵判斷操作程序 當PID調(diào)節(jié)結(jié)果大于或等于變頻運行上限頻率時（或小于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器記時5min后執(zhí)行工頻水泵增加一臺（或減一臺）操作，并產(chǎn)生相應的變頻啟動脈沖信號。 （3）水泵軟啟動程序 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。當一臺水泵運行連續(xù)超過3個小時后，自動倒泵變頻運行。 （4） 水泵變頻運行控制邏輯程序 各水泵變頻運行控制邏輯大體相同，以1#水泵為例進行說明，第一次上電后，故障消除或產(chǎn)生1#水泵啟動脈沖并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生，未產(chǎn)生復位1#水泵變頻運行信號，當1#水泵工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，QA2常開