恒壓供水系統(tǒng)自動控制設計要點

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1、 摘 要 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據運行負荷的變化自動調節(jié)供水系統(tǒng)水泵的數 量和轉速，使整個系統(tǒng)始終保持高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。 本文主要針對當前供水系統(tǒng)中存在的自動化程度不高、能耗嚴重、可靠性低的缺點加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個方面都有所提高的變頻式恒壓供水自動控制系統(tǒng)。全文共分為四章。第一章闡明了供水系統(tǒng)的應用背景、選題意義及主要研究內容。第二章闡明了供水系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能原理。第三章詳細介紹了系統(tǒng)硬件的工作原理以及硬件的選擇。第四章詳細闡述了系統(tǒng)軟件開發(fā)并對程序進行解釋。 關鍵詞： 變頻器； 恒壓供水系統(tǒng) ； PL

2、C Abstract Frequency conversion constant pressure water supply system, the system is capable of automatically adjusting water supply system based on load changes of quantity and speed of the pump, always maintain the high efficiency and energy saving the best state of the This

3、 article primarily for current there is a high degree of automation in the water supply system, serious disadvantages, reliability, low energy consumption study developed a new and increased in these three areas of automatic control system of frequency conversion constant pressure water supply. The

4、text is divided into four chapters. Chapter I sets out the water supply system of main research topics on background, meaning and content. Chapter II sets out the principle of variable frequency speed adjusting energy saving of water supply systems. Chapter III details the working principle of sy

5、stem hardware and hardware choices. The fourth chapter elaborates system software development and to explain the procedures Key words：Cam、high deputy、 automation 目錄 第一章 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介 1 第二章 水泵調速運行的節(jié)能原理 3 第三章 系統(tǒng)硬件的工作原理及硬件選擇 5 第一節(jié) PLC的工作原理及選擇 5 第二節(jié) 變頻調速系統(tǒng)原理及選擇 6

6、 第三節(jié) 壓力傳感器的選擇 9 第四節(jié) 水泵的選擇 10 第五節(jié) 控制電路 10 第四章 系統(tǒng)軟件的開發(fā) 12 第一節(jié) PLC 的工作方式 12 第二節(jié) PLC 連接圖 13 第三節(jié) 恒壓供水的工藝流程 14 結束語 17 謝 辭 18 參考文獻 19 第一章 變頻恒壓供水系統(tǒng)簡介 我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，工業(yè)自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象；而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)

7、水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞。傳統(tǒng)調節(jié)供水壓力的方式，多采用 頻繁啟 / 停電機控制和水塔二次供水調節(jié)的方式， 前者產生大量能耗的， 而且對電網中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命；后者則需要大量的 占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質的安全與可靠性。而變頻調速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，設備運行十分平 穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的

8、優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。 在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同 時，保證管網壓力恒定， 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。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都 采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性

9、、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產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 SAMC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 調節(jié)器和 PLC可編程控制器等硬件 集成，在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC和 PID 等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工 作，可構成最多 7 臺電機 ( 泵 ) 的供水系統(tǒng)。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，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)

10、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)數據通信， 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。目前國內有不少公司 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 速，水管管網 壓力的閉環(huán)調節(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 1 能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放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。成都希望集團 ( 森蘭變頻器 ) 也推出恒壓供水專用變頻

11、 器 (5.5kW-22kW)，無需外接 PLC和 PID 調節(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)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集 成在變頻器內部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所?？梢钥? 出 ，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中， 對于能適應不 同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 (EMC)，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，使其能被更好的應用于

12、生活、生產實踐。 2 第二章 水泵調速運行的節(jié)能原理 全自動變頻調速供水控制系統(tǒng)采用專用供水控制器控制變頻調速器，通過 安裝在管網上的遠傳壓力表，把水壓轉換成電信號，通過接口輸入控制器內置 的 PID 控制器上，用以改

13、變水泵轉速。當用戶用水量增大，管網壓力低于設定壓力時，變頻調速器的輸出頻率將增大，水泵轉速提高，供水量加大。當達到設定壓力時，水泵恒速運轉，使管網壓力穩(wěn)定在設定值上。反之當用戶用水量 少，管網壓力高于設定壓力時， 變頻調速器的輸出頻率將降低， 水泵轉速下降，供水量減少，使管網壓力穩(wěn)定在設定壓力，這樣反復循環(huán)就達到了恒壓變量供 水的目的。 圖 2-1 供水系統(tǒng)原理圖 供水系統(tǒng)的工作原理如圖 2-1 所示。由自來

14、水管網或其它水源提供的水進入蓄水池經加壓水泵進入用戶管網管路。 通過壓力傳感器按提供網的壓力信號，傳送給控制系統(tǒng)的 PID，經 PID 運算后輸出信號控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉速進而保持供水管道的壓力基本恒定。用戶用水量大時，管網管 路壓力下降變頻器頻率就升高， 水泵轉速加快， 反之頻率下降， 水泵減速運行， 從而維持恒壓供水。當用水量大于一臺水泵的最大供水量時，通過 PLC自動切換電路工作再投入一臺水泵，根據最多用水量的大小可投入數臺水泵。在供水 系統(tǒng)中，控制對象是水泵，控制目標是保持管網水壓恒定，控制方法是壓力信號的反饋閉環(huán)控制。它的自動控制原理圖見圖 2-2

15、 。 3 圖 2-2 變頻式恒壓供水自動控制原理圖 4 第三

16、章 系統(tǒng)硬件的工作原理及硬件選擇 第一節(jié) PLC的工作原理及選擇 PLC是以微機控制技術為基礎，通過編程，可以執(zhí)行諸如邏輯判斷，順序控 以時，計數，運算等功能，并通過數字或模擬 I/O 組件控制機械設備。 與傳統(tǒng)的繼電器控制盤相比， PLC控制系統(tǒng)體積小， 可靠性高 ; 更易使用和維 護，且能在工廠環(huán)境下進行編程 ; 便于擴充和修改功能，又具有向中央數據采集 系統(tǒng)傳遞信息的能力 ; 通過接插件，所有輸入端點能直接和工業(yè)現(xiàn)場的開關，接 點直接相連，所有輸出端點能直接驅動繼電器、電磁閥、電機啟動器的線圈等。 它的發(fā)展大致經歷了三個發(fā)展時

17、期。 1. 形成期 (1970-1974 年) 早期的 PLC采用小規(guī)模的 IC 構成專用的邏輯處理芯 片 (CPU)，采用機器語言或匯編語言編程，僅有邏輯控制指令，控制點少，功能簡單，并沒有獲得廣泛重視。 2. 成熟期 (1974-1978 年) 隨著單電源的 8位處理器的出現(xiàn)， 在小型化、高可靠性多功能及價格等方面， PLC的研制和應用水平有了飛速發(fā)展和提高。 PLC開始具有了多個 CPU，設置了定時器、計算器并具有了算術運算功能。 3. 加速發(fā)展期 (1978 年以來 ) 從 70 年代末到 80 年代， PLC的應用和制造呈 現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的趨勢。一方面研制

18、出了高性能不同規(guī)模的 PLC控制系統(tǒng)，開發(fā)了多種智能 I/O 模塊，充分吸收了計算機和通訊技術，實現(xiàn)了分布式分級控制的 PLC網絡系統(tǒng)。另一方面也逐一生產一般機械加工邏輯控制而價格較為便宜的微小型 PLC，對 PLC普及應用起了重要推動作用。 可編程控制器（ programmable logical controller ，簡稱 PLC）已經越來 越多地應用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，并且在自動控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。 所以，對 PLC的正確選擇是非常重要的。 1. 工作量 這一點尤為重要。 在自動控制系統(tǒng)設計之初，就應該對控制點數（數字量及模擬量）有一個準確的統(tǒng)計，

19、這往往是選擇 PLC的首要條件，一般選擇比控制點數多 10%-30%的 PLC。 （本設計中開關量 16個，控制量 6個， 1個模擬量輸出， 3個模擬量輸入） 2. 工作環(huán)境 工作環(huán)境是 PLC工作的硬性指標。自控系統(tǒng)將人們從繁忙的工作和惡劣的環(huán) 境中解脫出來，就要求自控系統(tǒng)能夠適應復雜的環(huán)境，諸如溫度、濕度、噪音、 信號屏蔽、工作電壓等，各款 PLC不盡相同。一定要選擇適應實際工作環(huán)境的產 品。（該設計環(huán)境正常，故不用特殊型號） 5 3. 通信網絡 現(xiàn)在 PLC已不是簡單的現(xiàn)場控制， PLC遠端通信已成

20、為控制系統(tǒng)必須解決的問題。（故盡量選取比較常用的品牌） 4. 編程 程序是整個自動控制系統(tǒng)的“心臟”， 程序編制的好壞直接影響到整個自動 控制系統(tǒng)的運作。編程器及編程軟件有些廠家要求額外購買，并且價格不菲， 這 一點也需考慮在內（要求有良好的編程軟件） 。 5. 可延性 這里包括三個方面含義： （1）產品壽命。大致可以保證所選擇的 PLC的使用年限， 盡量購買生產日期 較近的產品。 （2）產品連續(xù)性。生產廠家對 PLC產品的不斷開發(fā)升級是否向下兼容， 這決 定是否有利于現(xiàn)系統(tǒng)對將來新增加功能的應用。 （3）產品的更新周期。當

21、某一種型號 PLC（或 PLC模塊）被淘汰后，生產廠 家是否能夠保證有足夠的備品（或備件） 。這時應考慮選擇當時比較新型的 PLC。 6. 性價比 由上面的的挑選規(guī)范，我挑選西門子公司的 S7-200 CPU226作為本系統(tǒng)采用的 PLC，它的具體性能如下。 本機集成 24 輸入 /16 輸出共 40 個數字量 I/O 點?？蛇B接 7 個擴展模塊，最大擴展至 248 路數字量 I/O 點或 35 路模擬量 I/O 點。 13K 字節(jié)程序和數據 存儲空間。 6 個獨立的 30kHz 高速計數器， 2 路獨立的 20kHz 高速脈沖輸出，具 有 PID 控制器。

22、 2 個 RS485通訊 / 編程口，具有 PPI 通訊協(xié)議、 MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。 I/O 端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入 / 輸出點，更強的模塊擴展能力， 更快的運行速度和功能更強的內部集成特殊功能。可完全適應于一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。 第二節(jié) 變頻調速系統(tǒng)原理及選擇 在變頻器沒有出現(xiàn)以前， 調速系統(tǒng)一般采用直流調速圖， 但是由于結構上的原因，直流電動機存在著很多缺點 ( 諸如需要定期更換電刷和換向器，維護保養(yǎng) 困難，壽命短，機構復雜，難以制造大容量、高轉速、高電壓的直流電動機等 ) ，

23、所以人們一直在尋找交流調速系統(tǒng)。 而變頻器的出現(xiàn)剛好解決了這個問題。 與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比， 利用變頻器對交流電動機進行調速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如節(jié)能， 容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調速控制， 可以實現(xiàn)大范圍內的 6 高效連續(xù)調速控制， 容易實現(xiàn)電動機的正反轉切換， 可以進行高頻度的起停運轉， 可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅動，可以適應各種工作環(huán)境， 可以用一臺變頻器對多臺電動機進行調速控制，電源功率因數大，所需電源容量小， 可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。 特別是對于工業(yè)中大量使用的風扇、 鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進

24、行調速控制可代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。 變頻調速的原理非常簡單，由于異步電動機的轉速為 120 f (1 s) n n 式中 n為電動機轉速， r/min ；f 為電源頻率， Hz；p為異步電動機磁極個數； s為轉差。所以，理論上說，只要改變 f 就能改變電機轉速 n。 常見的變頻調速模式有兩種， 一種是開環(huán)控制，另一種是速度反饋閉環(huán)控制，如圖 3-2 所示。本系統(tǒng)根據恒壓的控制要求，采用的是 PID調節(jié)方式 ( 內含在變頻器中 ) 的閉環(huán)控制。 信號 主 變

25、 水泵 控 變頻器故障信號 頻 機 器 器 開環(huán)控制 信號 主 變頻器故障信號 變 水泵 控 頻 機 超壓信號 器 器 欠壓信號 壓力傳感器 閉環(huán)控制 圖 3-2 變頻調速系統(tǒng)的控制方式 本系統(tǒng)中變頻器的輸入信號有兩種，一種是控制信號，它包括 PLC輸給的變頻器 FWD信號 BX信號和 VI （1

26、2）電壓信號（ 0-5V）， FWD信號 BX信號由 PLC輸出，控制變頻器的工作開關； VI（12）控制變頻器頻率。另一種是輸入電源信號，本 7 系統(tǒng)采用的三相 380V的交流電源，三相電流輸入連接在端子 L1/R, L2/S, L3/T 上。采用三相輸入的話，則用主電路的電源端子 L1/R, L2/S, L3/T 通過線路保護 用斷電器或帶漏電保護的斷路器連接至三相交流電源， 不需考慮連接相序。 如果 有條件的話， 還可以在電源電路中串入一個電磁接觸器， 這樣就可以保證變頻器 保護功能動作時能切除電源和防止故障擴大， 以保證

27、安全。 盡量不要用主電路電 源 ON/OFF的方法控制變頻器的停止和運行，應該用控制電路端子FWD、BX。變頻器的輸出信號也有兩種，一是送 PLC的超壓信號、欠壓信號和變頻器故 障信號這三個輸出控制信號，另一是送水泵的變頻器輸出電源信號。送 PLC的超壓、欠壓信號由變頻器的 Y1，Y2端子送出，Y1的內部功能設定選為頻率檢測 (FDT) 功能，幅值為 50Hz，滯后值為 0.5Hz。Y2的內部功能設定選為 0速度輸出功能，變頻器輸出頻率為 0Hz時輸出 ON信號。 送PLC的變頻器故障信號我們選擇從 Y3輸出， Y3的內部功能設定選擇為報警功能，變頻器發(fā)生指定的故障時輸出信號

28、。 變頻器的輸出電源接接觸器， 它給所 有的工頻回路的接觸器都提供電源信號，但是具體的哪一臺接觸器接通由 PLC控制。變頻器的輸出端子 (U，V，W)按正確的相序連接至交流接觸器的輸入電源端 子上。如果電機旋轉方向不對，則說明連接相序有錯，則改變 U、 V， W中的任意兩相的接線。 變頻器和電動機 ( 水泵 ) 間配線很長時， 由于線間分布電容產生較大的高頻電流，可能造成變頻器過電流跳閘 . 另外，漏電流增加，電流值指示精度變差。對于本系統(tǒng)中的變頻器，變頻器和電動機 ( 水泵 ) 之間的距離最好小于 50 米，如果配線很長時，則必須連接輸出側濾波器選件 (OFL濾波器 ) 。接線時

29、還有 一點需要注意的是，為了安全和減少噪聲，變頻器的接地端子 G必須良好接地。為了防止電擊和火警事故， 電氣設備的金屬外殼和框架均應按照國家電氣規(guī)程要求接地。接地線要粗而短， 變頻器系統(tǒng)應連接專用接地極， 及不要和別的系統(tǒng)串聯(lián)接地或共同接地（具體接法見圖 3-3 ）。 電源 接觸器 控 制 面 送0-5 電壓信號 版 送 信號 超壓信號 欠壓信號 送 信號 變頻器故障輸出 圖3-3 變頻器的 I/O 端點連接 8

30、 采用變頻器驅動異步電動機調速。 在異步電動機確定后， 通常應根據異步電 動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值 ( 最大 值 ) 來選擇變頻器。 當運行方式不同時， 變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應滿足的條件也不一樣。 選擇變頻器容量時， 變頻器的額定電流是一個關鍵量，變頻器的容量應按運行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。 該系統(tǒng)用一臺變頻器使多臺電機并聯(lián)運轉， 對于一臺電機開始起動后， 再追加投入其他電機起動的場合，此時變頻器的電壓、 頻率已經上升， 追加投入的電機將產生大的起動電流，因此，變頻器容量與同時起動時

31、相比需要大些。 綜合上面因素，我們選擇佳靈 JP6C-T9280系列變頻器。性能見表 3-1 。 表 3-1 佳靈 JP6C-T928 性能 型號 JP6C-T9280 JP6C-T9280 適用電機容量 (kW) 280 額定容量 (KVA) 400 額定電流 (A) 520 額定過載電流 額定電流的 150%1分鐘 相數 電壓 頻率 三相， 380V至440V 50Hz/60Hz 容許波動 電壓 +10V—— -15%，頻率 5% 抗瞬時電壓降低 310V以上可連續(xù)運行，電壓從額定值降到 310V

32、 以下時，繼續(xù)運行 15ms 最高頻率 50-400Hz可變設定 基本頻率 50-400Hz可變設定 啟動頻率 0.5-60Hz 可變設定 載波頻率 2-6KHz可變設定 冷卻方式 強制風冷 第三節(jié) 壓力傳感器的選擇 檢測元件的精度直接影響系統(tǒng)的控制質量。 通常可以選用各種壓力傳感器檢 測管網壓力。傳統(tǒng)的壓力傳感器有利用彈性元件的，如電感壓力傳感器、 電容壓 力傳感器等。 PMC系列壓力傳感器的構造與之不同，屬于一體化的高精度儀器。它采用電子陶瓷技術， 測量元件完全是固體形式。其工作原理是：

33、使壓力直接作用于電子陶瓷膜片，膜片出現(xiàn)位移后所產生的電容量被與其同體的電子元件檢測、放大，最后轉換成 4～20mA的標準信號輸出。 9 PMC型傳感器具有如下特點： ①具有相當強的抗沖擊和抗過載能力，過壓量達額定量程的百倍以上； ②由于壓力測量元件中不采用傳統(tǒng)的介質物質，所以，測量精度極高，且?guī)? 乎不受溫度梯度的影響； ③采用脈沖頻率調制方式傳輸信號， 大大減少了現(xiàn)場干擾的影響， 信號傳輸用普通導線完成，簡單方便； ④重量輕，體積小，安裝維護非常方便。 我們選 PMC133型壓力傳感器作為出水口端壓力檢測元件， 檢測泵

34、出口附近 管網內壓力作反饋信號，該元件可承受的相對壓力最大測量范圍達 O-40MPa，最小測量范圍為 O-lkPa ，所需電源要求電壓為 12．5～30V，精度 0．1％，壓力傳感器將出水口的壓力信號線性轉換為 4-20mA DC 標準信號送到 PLC（在該系統(tǒng)中，我選取 0-500kPa）。 第四節(jié) 水泵的選擇 選取 2種型號的水泵，小泵為常開泵（能夠調節(jié)到工頻），大泵只能在變頻狀態(tài)下工作。 其中，小泵為 Y355M1-4，大泵為 Y355-M2-4。參數見表 3-2（按實際需要選取，我選了 2種比較常用的型號）。 表 3-2 水泵性能參數表

35、 第五節(jié) 控制電路 因為控制電路圖具有相似性，故只介紹下面 3 個就能解釋整個電路圖。 10 圖 3-4 指示燈控制電路 如圖 3-4 為 1號泵變頻指示燈。即當 1號泵處于變頻狀態(tài)時，燈 E1-2亮。 圖 3-5 工頻變頻切換電路

36、 如圖 3-5 為 1 號水泵的變頻工頻切換電路。 當JNW-1接通時，RJ2-1導通，且 JNV1不通，1號泵就會變頻運行。 其中，RJ2-1為熱繼電器，作為 1號水泵過載保護。 KN1、KN2作為自鎖保護裝置，當 JNW1導通，則 KN1得電，于是下面的 KN1常閉開關斷路。反之 KN2也一樣。這樣自鎖能保證 1 號水泵只能工頻變頻選其一。不會發(fā)生既連接了變頻又連接了工頻的錯誤。 圖 3-6 蝶閥控制電路 圖3-6 為1號蝶閥的開閥控制圖，即當該電路得電時，蝶閥

37、開閥。 JF1接通，且 KV2-2 ZDK2-1不得電時，蝶閥開始關閥。其中 KV2-1、 KV2-2構 成自鎖裝置，使得蝶閥只能處于開閥和關閥中的一種狀態(tài)。 11 第四章 系統(tǒng)軟件的開發(fā) 第一節(jié) PLC 的工作方式 PLC采取循環(huán)掃描的工作方式，其工作過程簡圖如圖 4.1 所示。這個過程 可分為內部處理、通信服務、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段，整個 過程掃描一次 所需的時間稱為掃描周期。 在內部處理階段， PLC檢查 CPU模塊內部硬件是否 正常，復位監(jiān)

38、視定時器，以及完成一些其它的內部處理。在圖 4.2 掃描過程通信 服務階段 PLC與帶微處理器的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容 . 在PLC處于停止運行 (STOP)狀態(tài)時，只完成內部處理和通信服務工作。在 RUN時，要完成全部的工作。 1. 輸入處理階段 PLC在輸入處理階段， 以掃描方式順序讀入所有輸入端的通 / 斷狀態(tài)，并以此狀態(tài)存入輸入輸出印象寄存器。 接著轉入程序的執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時間，即使輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化， 輸入輸出印象寄存器的內容也不會發(fā)生變化， 只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入。 2. 程序執(zhí)行階段 P

39、LC在程序執(zhí)行階段，按先左后右、先上后下的步序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入印象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關元件的通 / 斷狀態(tài)。 根據用戶程序進行邏輯運算，運算結果再存入有關的元件印象寄存器中。 即對每個元件來說，元件印象寄存器中的內容會隨著程序的進程而變化。 3. 處理階段 在所有的指令執(zhí)行完畢后，將輸出印象寄存器 ( 即Y寄存器 ) 的通 / 斷狀態(tài)，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器， 通過隔離電路、驅動功率放大電路、 輸出端子，向外輸出控制信號，這才是 PLC的實際輸出。 PLC的掃描既可以按照固定的順序進行，也可以按用戶程序的指定的可變順 序進行。

40、這不僅因為有的程序不需要每掃描一次就執(zhí)行一次， 而且也因為在一個 大的控制系統(tǒng)中要處理的 I/O 點數比較多，通過安排不同的組織模塊，采用分時 分批的掃描辦法，可縮短循環(huán)掃描的周期和提高系統(tǒng)控制的實時響應性。 順序掃描的工作方式簡單直觀，簡化了程序的設計，并為 PLC的可靠性運行提供了保障。一方面，所掃描到的功能經解算后， 其結果馬上就可以被后面要掃描到的邏輯解算所利用；另一方面，還可以通過 CPU內部設定的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，診斷 CPU內部故障。以避免程序異常運行而造成的不良影響。 12 由 PLC的工

41、作過程可見，在 PLC的程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)寄存器的內容也不會發(fā)生變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能變改變。暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號，也需要等到一個循環(huán)周期結束 后，CPU集中將這些輸出信號全部輸送輸出鎖存器，這才成為實際的 CPU輸出。因此，全部的輸入、輸出狀態(tài)的改變，就需要一個掃描周期。掃描周期是其一 個比較重要的指標，一般為幾毫秒至幾十毫秒。 PLC 掃描時間取決于程序的長短和掃描速度。因為 PLC的輸入處理階段和輸出處理階段所需時間一般很短，通常只要幾毫秒。由此可見， PLC的掃描時間對于一般的工業(yè)設備 ( 改變狀態(tài)的時間約為幾秒以上 )

42、通常是沒什么影響的。 第二節(jié) PLC 連接圖 圖 4-1 PLC 接線圖 如圖 4-2 所示，總共有 24個輸入數字量 I/O 口，其中的 SAN1、SAN2、SAN3、SAN4、SAN5、SAN6為輸入開關；總共有 16個輸出數字量 I/0 口，JNW1、JNW2、JNV1、JNV2、JNV3、JNV4、JF1、JF2、JF3、 JF4、JF5、JF6、JF7、JF8、

43、FWD、BX為 PLC控制的 開關量。 PLC可以增加數字量輸出擴展模塊，假如該系統(tǒng)還要增加數字量輸出的話， 可以增加一個模塊。這樣也吻合數字量輸出 I/O 口要預留 10-30%的條件。 EM235為模擬量輸入輸出模塊， 其中 A+端、A-端接壓力傳感器，接受 4-20mA 13 電流信號，進行模數轉換，輸入符合 CPU標準要求的信號。 B+端、 B- 端接變頻器頻率信號，接受 0-5V 電壓，輸入同樣符合 CPU標準要求的信號。 C+端、 C-端接鑒頻鑒相比較器， 信號只有 0 伏和 5 伏兩種狀態(tài)，我依然把他看作模擬量。當輸

44、入為 0 時，變頻器的輸出頻率相位和電網的頻率相位一致，能進行工頻轉變頻和變頻轉工頻的切換。 輸出為 5V 時，不能進行工頻轉變頻或變頻轉工頻的切換。 第三節(jié) 恒壓供水的工藝流程 系統(tǒng)開始運行之前，應先把管壓參數 SP賦給 PLC。按下啟動按鈕，系統(tǒng)開 始運行， PLC給變頻器 FWD信號，然后判斷變頻器能否工作正常，正常的話采 用全自動變頻恒壓控制方式?，F(xiàn)在假設變頻器工作正常，系統(tǒng)開始運行，水泵 1 變頻零轉速啟動，待運轉正常后壓力傳感器開始采樣，隨著 PLC的不斷掃描，系統(tǒng)不斷輸入管壓信號的采樣結果，采樣結果

45、通過模擬輸入輸出單元將模擬輸入值轉換為 PLC可以接受的數字信號，與目標值作比較，將偏差調整為零，也就是提高或降低水泵轉速，使管網水壓達到目標值。如果一臺水泵額定轉速運行仍不能使管網水壓達到設定值，將水泵 1 切換到工頻態(tài)運行，延時后變頻器的控制對象切換到水泵 2，同時保持水泵 1 維持工頻運行，水泵 2 從零轉速開始運行，過程如上。泵 3、泵 4 的工作情況也是如此。 在該種運行方式下，系統(tǒng)大部分時間是工作于其中一臺泵變頻運行進行微 調，其它泵或工頻或停止的狀態(tài)本系統(tǒng)為 2 組水泵輪流工作， 2 組水泵的選擇 由人工直接操作。因為 2 組水泵的原理型號相同，所以下面以水泵

46、1 組為例介 紹恒壓供水的工藝流程。流程圖見圖 4-2 。該系統(tǒng)的主要運行過程如下： 1. 系統(tǒng)啟動 按下 SAN1按鈕，系統(tǒng)水泵 1 組開始啟動。首先將水泵 1 組的兩個碟閥關閉。即 JF1 和 JF3 置 1，延時 1 秒鐘，確定蝶閥關閉后接通 1 號水泵變頻開關。隨后開變頻器，即 FWD置 1。當變頻器 FWD端置 1 時，變頻器將正轉運轉且頻率 逐漸上升。當頻率到達 50Hz 時，水泵已經運轉正常，延時 4S，開碟閥 1，即將 JF1 置 0、JF2 置 1。隨后 PLC的 PID 調節(jié)將控制變頻器頻率從而達到恒壓的效果。 2. 變頻轉工頻 變頻轉工

47、頻的情況只可能發(fā)生在 1 號水泵。首先要進行條件判定，即只有當 1 號水泵處于變頻狀態(tài)時才可能有變頻轉工頻現(xiàn)象（這在程序中用觸點來確 14 定）。然后，必須 1 號水泵已經到了工作極限（程序中用 VD208表示即 50Hz） 且壓力依然小于設定值時才會出現(xiàn)變頻轉工頻的現(xiàn)象（這在程序中用條件判定 來確定，即 PID 計算結果 VD250大于 VD208）。當上述條件符合時，不能馬上切 換到工頻，還要進行相位比較，當相位一致時，才能切換（程序中由鑒頻鑒相 器來判斷，鑒頻鑒相器輸出為 0 時，頻率相位都相同 , 具體見 3.6 章）。

48、具體切 換過程是關變頻器然后馬上關閉 1 號水泵變頻開關再然后接通工頻開關。切換 過程中應該有短時間的延時（程序中延時為 0.1S）。 隨后，因該馬上將 2 號水泵變頻開關接通，然后開變頻器，隨后按照（ 1） 啟動流程的介紹來啟動 2 號水泵。 3. 工頻轉變頻 同樣，工頻轉變頻同樣只可能發(fā)生在 1 號水泵。前提為 2 臺水泵都在工作， 2 號水泵工作頻率已經到了最低值 （程序中用 VD204表示），且壓力依然不夠（在 程序中壓力不夠用 PID 計算結果 VD250小于 VD204表示）。滿足上面條件后就能馬上關閉 2 號水泵。但是此時還不能將 1 號

49、水泵由工頻轉到變頻，首先要將變 頻器調整到 50Hz，然后進行鑒相后才能轉換。轉換過程為切斷 1 號水泵工頻，然后馬上接通 1 號水泵變頻。 4. 關閉水泵組碟閥 當按下關閉水泵組碟閥按鈕時，將 JF1、JF3 置 1 即可。 5. 關閉水泵組 關閉水泵組的條件是必須關閉了水泵組碟閥。確定關閉后，進行判斷1 號 水泵是否在工頻運行。如果是，直接關閉 1 號水泵，然后關閉 FWD使變頻器頻率慢慢降低，從而關閉 2 號水泵。然后將 1 組水泵相關的信號置 0，程序結束。

50、 15 開始 1號變頻啟動 滿足減泵條件 滿足增泵條件 水泵 2變頻關閉 鑒頻鑒相 變頻器調速到 50HZ 1號水泵轉到工頻 鑒頻鑒相 2號水泵變頻啟動 水泵 1變頻工作 結束 圖 4-2 恒壓工作流程圖

51、 16 結束語 本文在分析和比較供水系統(tǒng)的基礎上，結合我國中小城市的供水現(xiàn)狀。設 計了一套以變頻調速技術和 PLC 為基礎的恒壓供水自動控制系統(tǒng)， 在這次畢業(yè) 設計中有如下認識： （1）在變頻恒壓供水系統(tǒng)中， 單臺水泵的調速是通過變頻器來改變電源的 頻率來改變電動機的轉速的從而來改變水泵。水泵的轉速也要控制在一定范圍 內，也就是不要使變頻器頻率下降過低，避免水泵在低效率情況下運行。 （2）恒壓供水

52、自動控制系統(tǒng)由可編程控制器 、變頻器、 水泵電動等組成。 系統(tǒng)采用一臺變頻器電動機啟動，運行與調速。 （3）在整個設計中，我都是選用了合理的器件，合適的才是最好的。 （4）團隊精神是很重要的， 沒有老師同學們的幫助我也不能這么順利地完 成畢業(yè)論文設計。 17 謝

53、辭 通過本次畢業(yè)設計，使我對大學所學的內容有了一個更深的了解。在設計 中，通過對以前所學知識的運用、不斷的查詢資料，使我學到了很多，也從中 體會到設計的樂趣。由于所學知識有限以及缺乏實際操作，論文中仍然有很多 的缺點與不足，因此仍然有待改進。在畢業(yè)設計的資料查找期間和論文完成期 間，指導老師和同學給予我關心和幫助，我向他們致以深深的謝意。感謝我的 導師 - 段莉老師，她嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣； 她循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 老師嚴謹求實的態(tài)度， 踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教

54、我做人，雖僅僅四年時間，卻給以終生受益無窮之道。感謝機制專業(yè)老師的教育培養(yǎng)。他們細心指導我的學習與研究，在平時指導我們思考問題的方法，培養(yǎng)我們獨立思考問題，解決問題，分析問題的能力，這些能力的培養(yǎng)，幫助了我并使我此次的設計過程中能夠順利完成，在此，我要向諸位老師表示深深地感謝！畢業(yè)設計是對我大學三年的總結，因而投入了極大的熱情和很高的積極性，更幸得指導老師段莉及同組同學多方幫助，使得設計能順利完成，圓滿結束了三年的大學生活。再次感謝段莉老師長期以來悉心的指導和不厭其煩的耐心講解，在整個設計過程中，指導老師不斷對存在的一些錯誤提出了指點，同時也給予了很多寶貴意見。從課題的選擇到論文的完成都離不開

55、老師對我的幫助。在此我向指導老師表示最真摯的謝意。畢業(yè)設計的過程為日后的工作和更進一步的學習打下了堅實的基礎，也積累了許多寶貴的設計經驗。 18 參考文獻 1. 王占奎主編 . 變頻調速應用百例 [M]. 科學出版社， 1999.4 2.S7-200 中文系統(tǒng)手冊 [M]. 西門子公司， 2002.6 3. 王永華主編 . 現(xiàn)代電氣控制及 PLC應用技術 [M].

56、 北京航天航社， 2003.5 4. 姚福來主編 . 水泵變頻調速的節(jié)電量計算及系統(tǒng)設計 [M]. 科學出版社， 2005.5 5. 鄧星鐘主編 . 機電傳動控制 [M]. 華中科技大學出版社， 2002.5 19