恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 摘要 建設(shè)節(jié)約型社會，合理開發(fā)、節(jié)約利用和有效保護水資源是一項艱巨任務(wù)。由于傳統(tǒng)供水方式的缺陷，本文設(shè)計了一套PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。 恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力變送器等構(gòu)成。共三臺電機，其中由一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運行與調(diào)速，1臺電機備用。控制系統(tǒng)中采用德國SIEMENS公司的S7-300可編程控制器來控制水泵電機的投入臺數(shù)及運行方式；同時利用其中的數(shù)字PID控制器，由FB41將壓力給定值與測量值的偏差進(jìn)行處理，實

2、時控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。此方法具有短路保護、過載保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機的使用壽命。 關(guān)鍵詞： PLC；變頻調(diào)速；恒壓供水 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） The Constant Pressure Water Supply System Design Abstract Building the conservation-oriented society, the reasonable development, saves and t

3、he effective protecting water resources is an arduous task. As a result of the flaw of the tradition water supply system, a set of PLC controls frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply system is designed. Constant pressure water-supply means that the water supply net

4、works in the event of changeable water consumption, but the exports still remain the same pressure. The component of this system includes the PLC, tranducer, pump motor group, and the pressure sensor. This design uses one transducer drivers 2 Motors starting, running and speed control. Another moto

5、r is used to be reserved. The control system used S7-300 programmable controller which be made in Germany SIMENS corporation. Through the PID controllers, pressure will be given the fixed value and processing error of the measurement by FB41. Using the controllers to control the voltage and frequenc

6、y of the frequency converter in real-time and then change the pump motor Speed to change the pump outlet flow, the pressure on the pipe network to achieve automatic adjustment so that the pressure pipeline network settings stability in the vicinity. the auxiliary pump soft start, has the short circu

7、it protection, the overflow protection function stably, the work reliable, lengthened electrical machinerys service life greatly. Key words: PLC; constant pressure water-supply ; variable frequency speed-regulating 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 課題提出的背景 1 1.2 課題研究的

8、目的和意義 1 1.3 國內(nèi)外在變頻恒壓供水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及分析 2 1.3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3.2 可編程序控制器技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.4 設(shè)計主要內(nèi)容 4 第二章 恒壓供水基本原理 6 2.1 供水系統(tǒng)簡介 6 2.2 恒壓供水基本原理 6 2.2.1 恒壓供水原理 6 2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 6 2.3 恒壓供水的優(yōu)點 8 2.4 本章小結(jié) 9 第三章 恒壓供水系統(tǒng)部件選擇 10 3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成 10 3.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 10 3.1.2 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成 11 3.2 S7-300

9、系列PLC簡介 12 3.2.1 S7-300的概況 12 3.2.2 S7-300 的模擬量輸入/輸出模塊 14 3.2.3 S7-300 的PID模塊FB41 17 3.3 變頻器的介紹 17 3.3.1 選擇變頻器規(guī)格 17 3.3.2 開關(guān)指令信號的輸入 18 3.3.3 變頻器與PLC的連接 19 3.4 傳感器 19 3.5 本章小結(jié) 21 第四章 恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 22 4.1 系統(tǒng)設(shè)計 22 4.1.1 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 22 4.1.2 PLC控制電路設(shè)計 23 4.2 程序設(shè)計 24 4.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計 24 4.2.2 水泵

10、電機切換程序 25 4.2.3 西門子S7300系列PLC通信程序設(shè)計 27 4.2.4 量程轉(zhuǎn)換程序設(shè)計 29 4.3 PID設(shè)計 29 4.3.1 PID控制 29 4.3.2 恒壓供水PID調(diào)節(jié)過程分析 31 4.3.3 PID控制器的應(yīng)用 31 4.4 本章小結(jié) 32 第五章 總結(jié) 33 5.1 全文總結(jié) 33 5.2 研究展望 33 參 考 文 獻(xiàn) 35 附錄A PLC與變頻器接線圖 37 附錄B 控制系統(tǒng)主電路圖與控制電路圖 38 附錄C PLC程序梯形圖 39 致謝 51 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 第一章 緒論

11、1.1 課題提出的背景 隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。而我們國家是個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、小區(qū)供水，尤其縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。而其中的老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。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(yīng)求的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的解決辦法是采用高位水箱、水塔和各種氣壓罐進(jìn)行蓄水加壓，依賴擋板和閥門的阻力調(diào)節(jié)水流

12、量。這種靠水的勢能或氣壓供水方式具有占地面積大、投資高、水泵電機啟動頻繁、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、漏失嚴(yán)重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁開啟使設(shè)備故障率高，檢修、維護也存在困難，而且像水塔這樣傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，在維護和升級系統(tǒng)方面，是非常昂貴的。因此，如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，己是迫在眉睫。 同時隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展并日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)在供水領(lǐng)域得以運用，實現(xiàn)了水泵電機無級調(diào)速，能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境。所有這些現(xiàn)代自動化控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無疑為現(xiàn)代化高性能

13、的生活供水提供了可能。利用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的全自動恒供水系統(tǒng),管道內(nèi)水壓恒定,既可以滿足供水要求,避免出現(xiàn)供水事故,還可節(jié)約電能。 1.2 課題研究的目的和意義 眾所周知，水是人類生活、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(shù)一直比較落后，自動化程度低，而隨著我國社會經(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(shè)發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)

14、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。 傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有:恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點如下： 1、恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng)，水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負(fù)荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng)，破壞性大，目前較少采用。 2、水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電

15、可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。 3、氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。 4、液力渦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修;優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。 5、單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能

16、做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水方式普遍存在不同程度的浪費水力、電力資源;效率變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)其節(jié)能、安全、供水高品質(zhì)等優(yōu)點，在供水行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電動機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化（實際上為供水管網(wǎng)的壓力變化）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要

17、的現(xiàn)實意義。 1.3 國內(nèi)外在變頻恒壓供水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及分析 1.3.1 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。早期，變頻器的功能主要是應(yīng)用在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、及各種保護功能上。用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足需求不同時的供水量，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變送器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。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

18、日本Samc0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(泵)的供水系統(tǒng)。此類設(shè)備簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)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)定性能不高，與其它的監(jiān)控系統(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，在實際的應(yīng)用中受到限制。 目前國內(nèi)有很多公司在做變頻恒壓供水的工程，多數(shù)采用國外的變頻器控制水泵 的轉(zhuǎn)

19、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(yīng)的軟件予以實現(xiàn)，有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)方面，還未能達(dá)到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供

20、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)的大功率變頻恒壓供水系統(tǒng)的 水壓閉環(huán)控制及監(jiān)控研究的不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的 性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實踐。 1.3.2 可編程序控制器技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 世界上公認(rèn)的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，變成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝

21、置。為了便于使用，可編程控制器采用梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。此時它的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控

22、制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 我國可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用。

23、目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。 1.4 設(shè)計主要內(nèi)容 變頻恒壓供水系統(tǒng)是利用變頻器、PLC等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐等，實現(xiàn)恒壓供水。通過對水泵的智能變頻調(diào)速控制不僅能實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且有利于實現(xiàn)供水的自動控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。 對供水系統(tǒng)進(jìn)行的

24、控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對水的壓力的需求。本文介紹的恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程序控制器進(jìn)行邏輯控制,采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件,時刻跟蹤管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化,經(jīng)PID運算,通過可編程序控制器控制變頻與工頻切換,自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水,在保持恒壓下達(dá)到控制流量的目的。 本文首先對供水系統(tǒng)的特性和變頻調(diào)速的原理進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行研究，通過學(xué)習(xí)德國SIEMENS公司的S7-300的硬件及其編程語

25、言，做出控制用的相關(guān)程序。 第二章 恒壓供水基本原理 2.1 供水系統(tǒng)簡介 自80年代初，全國各行業(yè)大力開展節(jié)能工作。自此，住房小區(qū)的給水系統(tǒng)已逐步取消了高位水箱，而采用變頻調(diào)速恒壓供水代替以前的重力供水、氣壓供水，克服了傳統(tǒng)供水方法的缺點。這種供水方式既滿足供水安全，又避免水質(zhì)的二次污染。對于多層住宅來說，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。 在自動恒壓供水系統(tǒng)中，由于管網(wǎng)是封閉的，泵站供水的流量是由用戶實際用水量決定的。根據(jù)反饋原理:要維持一個物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不變，就應(yīng)該引入這個物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因為在恒壓供水系統(tǒng)中，我們要想保持的供水管網(wǎng)的壓力恒定，因

26、此就必須引入水壓反饋值與給定的壓力值比較，從而形成閉環(huán)系統(tǒng)。 2.2 恒壓供水基本原理 2.2.1 恒壓供水原理 對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。但是，流量的大小取決于揚程，揚程難以進(jìn)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)： 供水能力QG>用水需求QU，則壓力上升； 供水能力QG<用水需求QU，則壓力下降； 供水能力QG=用水需求QU，則壓力不變。 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾反映在流體壓力的變化上。因此，壓力可以用來作為控制流量大小的參變量。即保持供水系統(tǒng)中某處壓力的恒定

27、，也就保證了該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。 2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計 采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入經(jīng)運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓

28、力信號(4－20mA)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 恒壓供水泵站一般需要設(shè)多臺水泵及電機，這比設(shè)單臺水泵電機節(jié)能而可靠。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺大電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應(yīng)的會不足。而且水泵與電機維修的時候，備用泵是必要的。而恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為水泵電機供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺水泵電機配一臺相應(yīng)的變頻器

29、，從解決問題方案這個比較簡單和方便，電機與變頻器間不須切換，但是從經(jīng)費的角度來看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。 圖2.1為恒壓供水的系統(tǒng)構(gòu)成框圖。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。當(dāng)用水量大時，水壓降低；用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出

30、的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號一般是模擬信號，4-20mA變化的電流信號或0-10V間變化的電壓信號。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。在變頻器恒壓供水系統(tǒng)中，執(zhí)行設(shè)備就是變頻器。用PLC代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運行與切換，在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻的磨損，水泵及電機是輪換的工作。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵(主泵也是輪流擔(dān)任的)，主泵在運行時達(dá)到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運行。PLC則

31、是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。PLC同時還是變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端子接受到傳感器送來的模擬信號，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。另外，泵站的其他控制邏輯也由PLC承擔(dān)，如：手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。 2.3 恒壓供水的優(yōu)點 對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根到底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，但揚程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下

32、，管道中水壓的大小與供水能力(供水流量)和用水需求(用水流量)之間的平衡情況關(guān)系有關(guān)，即供水能力大于用水需求時壓力上升，供水能力小于用水需求時壓力下降，當(dāng)兩者相等時壓力不變。供水能力和用水需求之間的矛盾具體反映在水壓的變化上。從而壓力就成為用來作為控制流量大小的參變量。當(dāng)供水系統(tǒng)中某處壓力恒定時，供水與用水處于平衡狀態(tài)，恰好滿足用戶所需的用水流量，恒壓供水有以下優(yōu)點： 1. 節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電20%-40%，能實現(xiàn)綠色用電。 2. 占地面積小，投入少，效率高。 3. 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 4. 運行合理，由于是軟起和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機軸上的平均

33、扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。 5. 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。 6. 通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力 2.4 本章小結(jié) 對供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流量是系統(tǒng)的基本控制對象。但是，流量的大小取決于揚程，揚程難以進(jìn)行具體測量和控制。通過控制壓力可以達(dá)到控制流量的目的。本章先對恒壓供水的原理進(jìn)行介紹，再進(jìn)行方案設(shè)計，最后闡述恒壓供水的優(yōu)點。 第三章 恒壓供水系統(tǒng)部件選擇 3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成 3.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

34、系統(tǒng)的硬件原理圖如圖3.1所示。由圖可知：該系統(tǒng)主要由壓力傳感器、差壓變送器、變頻器、PLC控制單元、水泵機組等組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用PLC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(jìn)行傳輸。 圖3.1 系統(tǒng)硬件原理圖 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: 1)執(zhí)行機構(gòu):執(zhí)行機構(gòu)是由三臺水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。 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水壓信號、液位信號和報警信號。水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓

35、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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強系統(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(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入;液位信號反映水泵的進(jìn)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。此信號來自在安裝于水源處的液位傳感器;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(guān)量信號。 3)控制機構(gòu):供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)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

36、接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(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)進(jìn)行控制;變頻器是對水泵進(jìn)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。 3.1.2 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成 為保證供水壓力恒定，系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制的方式。來自壓力傳感器的信號與壓力設(shè)定信號比較，控制變頻器的頻率大小，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。水泵啟動后，壓力傳感器向控制器提供控制點的壓力值，當(dāng)壓力低于控制器設(shè)定的壓力值時，控制器向變頻調(diào)速裝置發(fā)送提高水泵轉(zhuǎn)速的控制信號，當(dāng)壓力高于設(shè)定壓

37、力值時，則發(fā)送降低水泵轉(zhuǎn)速的控制信號，變頻調(diào)速裝置則依次調(diào)節(jié)水泵工作電源的頻率，改變水泵的轉(zhuǎn)速，以此構(gòu)成以設(shè)定壓力值為參數(shù)的恒壓供水自動調(diào)節(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計 變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制柜，壓力傳感器，異步電動機及水泵組成，由此構(gòu)成一個壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器將管道中的水壓值變換成電信號(4~20mA)，送入系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字PID控制器進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)控制運算后，去控制變頻器的輸出頻率，通過上位機對當(dāng)前壓力信號的反應(yīng)，再由PLC控制三臺水泵電機在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間切換，改變?nèi)_水泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。 控制部分是以德國SIEMENS可編程序控

38、制器S7-300為核心，實現(xiàn)信號采集，巡檢綜合判定，控制輸出三個邏輯過程。電氣部分包括對水泵電機，變頻器的啟動、停止，以及故障檢測，指示燈的控制，S7-300據(jù)有豐富的指令系統(tǒng)，并且依托STEP7-V5.3良好的編程界面，很方便程序編制和現(xiàn)場調(diào)試。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。 傳動裝置用了富士變頻器，適用于異步電機無級調(diào)速控制。該變頻器的輸出控制方式為恒壓頻比以及IGBT大功率晶體管模塊。其優(yōu)點之一是具有高的切換頻率，可輸出低諧波分量的正弦波，在低速時電機有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，降低電機的損耗和噪音，減少

39、了電機運行時的溫升。變頻器可將輸出頻率在控制范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，控制精度為0.1Hz，從而達(dá)到電機依據(jù)負(fù)載的變化連續(xù)平滑調(diào)速，減輕了電機的運轉(zhuǎn)抖動。由于變頻調(diào)速實現(xiàn)異步電機軟起動，降低電網(wǎng)的損耗提高了電機運行時的cosφ中，以致于可以省去為改善功率因數(shù)的電容補償以及相應(yīng)控制設(shè)備。 傳感器選用了設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠(yuǎn)傳壓力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。青島奧斯特技術(shù)開發(fā)有限公司的HR-YTZ電阻遠(yuǎn)傳壓力表。 外圍設(shè)備選型 外圍設(shè)備主要包括執(zhí)行設(shè)備，如水泵、接觸器、按鈕、選擇開關(guān)、電流互感器等設(shè)備，由于外圍設(shè)備種類較、型號較雜，且不是本設(shè)計的技術(shù)難點，故對其選

40、型說明簡述至此。 3.2 S7-300系列PLC簡介 3.2.1 S7-300的概況 S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1 中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB, SFB, FC 或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O 模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU 內(nèi)部的輸入/輸

41、出過程映像區(qū)。批量輸入、批量輸出。 S7-300PLC是模塊式的PLC，本設(shè)計主要用得的有以下部分： （1）中央處理單元（CPU） 各種CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有狀態(tài)故障指示燈、模式開關(guān)、24V電源端子、電池盒與存儲器模塊盒。 （3）信號模塊（SM） 信號模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的電信號電平匹配。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊S

42、M332。模擬量輸入模塊可以輸入熱電阻、熱電偶、DC4～20mA和DC0～10V等多種不同類型和不同量程的模擬信號。每個模塊上有一個背板總線連接器，現(xiàn)場的過程連接到前連接起的端子上。本設(shè)計主要用到的是模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。 （4）功能模塊（FM） 功能模塊主要用于對實時性和存儲容量要求高的控制任務(wù)，例如計數(shù)器模塊、快速/慢速進(jìn)給驅(qū)動位置控制模塊、電子凸輪控制器模塊、步進(jìn)電動機定位模塊、伺服電動機定位模塊、定位和連續(xù)路徑控制模塊、閉環(huán)控制模塊、工業(yè)標(biāo)識系統(tǒng)的接口模塊、稱重模塊、位置輸入模塊、超聲波位置解碼器等。 圖3.2 PLC I/O點及地址分配圖 P

43、LC的接線如圖附錄B所示，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具備的輸入/輸出點數(shù)，名稱及地址編號如下表3.1所示。 表3.1 I/O點及地址分配 名稱 地址編碼 名稱 地址編碼 輸入信號 輸出信號 水位上限 I0.0 1號水泵工頻運行 Q0.0 水位下限 I0.1 1號水泵變頻運行 Q0.1 變頻器報警 I0.2 2號水泵工頻運行 Q0.2 消鈴按鈕 I0.3 2號水泵變頻運行 Q03 試驗按鈕 I0.4 3號水泵工頻運行 Q0.4 變頻器啟動 I0.4 高低液位報警 Q0.5 變頻器停止 I0.5 變頻器報警 Q0.6

44、 報警聲 Q0.7 3.2.2 S7-300 的模擬量輸入/輸出模塊 輸入/輸出模塊統(tǒng)稱為信號模塊(SM)。包括數(shù)字量（或稱開關(guān)量）輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊。 S7-300 的輸入/輸出模塊的外部接線接在插入式的前連接器的段子上，前連接器插在前蓋后面的凹槽內(nèi)。不需要斷開前連接器上的外部接線，就可以迅速地更換模塊。第一次插入連接器時，有一個編碼元件與之嚙合，這樣該連接器就只能插入同樣類型的模塊中。 本設(shè)計所用到的S7-300 的模擬量I/O模塊是模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。 本設(shè)計

45、用到的SM331模塊為4通道組8點輸入，與傳感器接線方式為四線制，輸入為4—20mA電流信號。SM332模塊為4通道組4點輸出，分辨率為16位，支持同步模式，輸出為4—20mA電流信號。 在PID控制中，PLC采集到的實際值要與設(shè)定值進(jìn)行比較，然而設(shè)定值為實際的工程量，而采集值為電流信號，無法進(jìn)行比較，所以這里涉及到量程轉(zhuǎn)換的問題，需要用到模塊FC105與模塊FC106，具體過程如下：壓力變送器輸出4—20mA電流信號到SM331模擬量輸入模塊，SM331模塊將該信號轉(zhuǎn)換成0—27648的整形數(shù)，然后在程序中要調(diào)用FC105將該值轉(zhuǎn)換成0—10.0（MPa）的工程量（實數(shù)），經(jīng)PID運算后得

46、到的結(jié)果仍為實數(shù)，要用FC106轉(zhuǎn)換為整形數(shù)0—27648后，經(jīng)SM332模擬量輸出模塊輸出4—20mA電流信號到變頻器。 FC105是處理模擬量（1~5V、4~20MA等常規(guī)信號）輸入的功能塊，在中，打開Libraries\standard library\Ti-S7 Converting Blocks\fc105,將其調(diào)入OB1中，給各個管腳輸入地址；如下： 圖3.3 FC105模塊圖 其中，管腳的定義如下： IN---------模擬量模塊的輸入通道地址，在硬件組態(tài)時分配； HI_LIM---現(xiàn)場信號的最大量程值； LO_LIM--現(xiàn)場信號的最小量程值； BIPOLAR

47、—極性設(shè)置，如果現(xiàn)場信號為+10V~-10V（有極性信號），則設(shè)置為1， 如果現(xiàn)場信號為4MA~20MA（無極性信號）；則設(shè)置為0； OUT-------現(xiàn)場信號值（帶工程量單位）；信號類型是實數(shù)，所以要用MD200來存放； RET_VAL-FC105功能塊的故障字，可存放在一個字里面。如：MW50； FC106是處理模擬量（1~5V、4~20MA等常規(guī)信號）輸出的功能塊，在中，打開Libraries\standard library\Ti-S7 Converting Blocks\fc106,將其調(diào)入OB1中，給各個管腳輸入地址；如下： 圖3.4 FC106模塊圖 其中，管腳的定

48、義如下： IN---------模擬量模塊的輸入通道地址，在硬件組態(tài)時分配； HI_LIM---現(xiàn)場信號的最大量程值； LO_LIM--現(xiàn)場信號的最小量程值； BIPOLAR—極性設(shè)置，如果現(xiàn)場信號為+10V~-10V（有極性信號），則設(shè)置為1， 如果現(xiàn)場信號為4MA~20MA（無極性信號）；則設(shè)置為0； OUT-------現(xiàn)場信號值（帶工程量單位）；信號類型是實數(shù)，所以要用MD200來存放； RET_VAL-FC105功能塊的故障字，可存放在一個字里面。如：MW50； 3.2.3 S7-300 的PID模塊FB41 PID模塊是進(jìn)行模擬量控制的模塊，可以完成恒壓、恒溫等控

49、制功能 在中，打開Libraries\standard library\PID Control block\FB41,將其調(diào)入OB1中，首先分配背景數(shù)據(jù)塊DB41，再給各個管腳輸入地址；如下： 圖3.5 FB41模塊圖 3.3 變頻器的介紹 3.3.1 選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說明書都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù)，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)，因此，直接按照變頻器標(biāo)稱功率進(jìn)行選擇，在實踐中可能會行不通。根據(jù)具體工程情況，可以有幾種不同的變頻器規(guī)格選擇方式。 1.按照標(biāo)稱功率選擇 一般而言，按照標(biāo)稱功率選擇只適合作為初步投資估算依據(jù)，在不清楚電動機額定電流時使用，比如電動機型號

50、還沒有最后確定的情況。作為估算依據(jù)，在一般恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用時可以放大一級估算，例如，90KW電動機可以選擇110KW變頻器。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如，90KW電動機可以選擇185KW變頻器。 2.按照電動機額定電流選擇 對于多數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載新設(shè)計項目，可以按照這個方式選擇變頻器規(guī)格： Ievf≥K1Ied (3-1) 式中，Ievf 是變頻器額定電流；Ied是電動機額定電流；K1是電流裕量系數(shù)，根據(jù)應(yīng)用情況一般可取為1.05～1.15，一般情況可取小值，在電動機持

51、續(xù)負(fù)載率超過80%時，則應(yīng)該取大值，因為多數(shù)變頻器的額定電流都是以持續(xù)負(fù)載率不超過80%來確定的。另外，啟動停止頻繁的時候也應(yīng)該考慮取大值，這是因為啟動過程以及有制動電路的停止過程電流會短時超過額定電流，頻繁啟動停止則相當(dāng)于增加了負(fù)載率。 3.按照電動機實際運行電流選擇 這個方式用于改造工程，對于原來電動機已經(jīng)處于大馬拉小車的情況，可以選擇功率比較合適的變頻器以節(jié)省投資： Ievf≥K2Id (3-2) 式中，K2是電流裕量系數(shù)，考慮到測量誤差，可取K2=1.1～1.2，在頻

52、繁啟動停止時應(yīng)該取大值；Id是電動機實測運行電流，指的是穩(wěn)態(tài)運行電流，不包括啟動、停止和負(fù)載突變的動態(tài)電流，實測時應(yīng)該針對不同工況作多次測量，取其中最大值。 4.按照轉(zhuǎn)矩過載能力選擇 變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時電動機轉(zhuǎn)矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。由于變頻器能夠控制在穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩下持續(xù)加速直到全速運行，因此，平均加速度并不低于直接啟動的情況，一般應(yīng)用中沒有什么問題。 通過上述論述和系統(tǒng)要求，決定選用富士公司的P11S系列變頻器。P11S系列是風(fēng)機泵用標(biāo)準(zhǔn)系列，采用高性能和多功能的理想結(jié)合動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制，能在各種運行條件下實現(xiàn)對電動機的最

53、佳控制。動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進(jìn)的驅(qū)動控制技術(shù)[10]。 3.3.2 開關(guān)指令信號的輸入 變頻器的輸入信號中包括對運行、停止，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、微動等運行狀態(tài)進(jìn)行操作的開關(guān)型指令信號(數(shù)字輸入信號)。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關(guān)特性的元器件(如晶體管)與PLC連接，獲取運行狀態(tài)指令。使用繼電器接點時，常因接觸不良而帶來誤動作;使用晶體管進(jìn)行連接時，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。在考慮變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意到，當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時有時會造成變頻器的誤動作。如當(dāng)輸入信號電路采用繼電器等感性負(fù)載，繼電器開閉時產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪聲有可能

54、引起變頻器的誤動作，應(yīng)該盡量避免，這時可以考慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。 3.3.3 變頻器與PLC的連接 圖3.6 變頻器 變頻器與PLC的連接如附錄B所示，其中變頻器各端子功能如下： R,S,T端子為主電路的電源輸入端子，連接三相電源，不需考慮連接相序；U,S,W端子為變頻器輸出連接端子，連接三相電機水泵，如電機轉(zhuǎn)動方向不對，則可交換其中的任意兩相；G端子為接地端子；端子11為模擬輸入信號的公共端子；端子12為設(shè)定電壓輸入端，輸入PID控制的反饋信號，以此來設(shè)定頻率；FWD端子為正轉(zhuǎn)運行/停止命令 端子，端子FWD-CM間：閉合（ON），正轉(zhuǎn)運行；斷開（OFF），減速停

55、止，此端子有PLC輸出點控制；接點輸入公共端CM為接點輸入信號的公共端子；X1為選擇輸入1端子，作為報警復(fù)位命令信號端子；Y1、Y2為晶體管輸出1端子與晶體管輸出2端子，為水位上限與下限報警端子；晶體管輸出公共端CME，為晶體管輸出信號的公共端子，端子CM和11在變頻器內(nèi)部相互絕緣；可選信號輸出繼電器端子Y5A,Y5C,為變頻器報警輸出端子。 3.4 傳感器 在工程上，所謂壓力，是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。壓力測量有很多方法，有利用液體在重力作用下液位發(fā)生改變與被測壓力平衡的液柱測壓法，有根據(jù)彈性原件受力變形的測壓法，也有將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量的電測法等。 在壓力測量中，常有

56、絕對壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用PA表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用P0表示。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用PI表示。即 PI=PA -P0 （3-3） 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。顯然當(dāng)絕對壓力值PA 小于大氣壓力值P0時，表壓力為負(fù)

57、值，所測值稱為負(fù)壓力或稱真空壓，它的絕對值稱為真空度。壓力在國際單位制中的單位是牛頓/平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕(Pa)，工業(yè)上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作為壓力的單位。 設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠(yuǎn)傳壓力表。可就地顯示壓力值，還可以將信號送到控制器。青島奧斯特技術(shù)開發(fā)有限公司的HR-YTZ電阻遠(yuǎn)傳壓力表，如圖3.7所示。HR-YZ表示壓力真空表；HR-Z表示真空表；HR-Y表示一般壓力表；HR-YB表示精密壓力表。 圖3.7 遠(yuǎn)傳壓力表 用途說明： 電阻遠(yuǎn)傳壓力表適用于測量對銅及銅合金不起腐蝕作用的液體、蒸汽和氣體等介質(zhì)的壓力。因為在儀表內(nèi)部設(shè)置一滑線

58、電阻式發(fā)送器，故可把被測值以電量值傳至遠(yuǎn)離點的二次儀表上，以實現(xiàn)集中檢測和遠(yuǎn)距控制。此外，本儀表并能就地指示壓力，以便于現(xiàn)場工藝檢查。 主要技術(shù)要求： 精確度等級：1.6 發(fā)送器起始電阻值：3～20Ω 發(fā)送器滿度電阻值：340～400Ω 3.5 本章小結(jié) 系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等構(gòu)成。 選用S7-300，它屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。變頻器就是能夠分別連續(xù)改變頻率和電壓的電源設(shè)備。交—直—交變頻器是先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)

59、可調(diào)的三相交流電源。同時系統(tǒng)采用遠(yuǎn)傳壓力表，來檢測水管出口處的壓力值，同時遠(yuǎn)傳壓力表可以就地顯示實時的壓力值。 第四章 恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.1 系統(tǒng)設(shè)計 4.1.1 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 結(jié)合實際情況，本論文的恒壓供水系統(tǒng)的主電路如圖4. 1所示。系統(tǒng)共有三臺電機，分別為Ml、M2、M3。其中Ml、 M2均可以在工頻或變頻兩種方式下運行，而M3只能工頻運行。每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護?？諝忾_關(guān)的容量依據(jù)大電機的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)的電動機Ml、M2，還需要在工

60、頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行，KM2、KM4控制M1、M2的變頻運行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當(dāng)選擇。FR1、FR2、FR3為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器，QS1、QS2分別為變頻器和水泵電機的主電路隔離開關(guān)，F(xiàn)U為主電路的熔斷器，是作為主電路短路保護用的。VVVF為通用變頻器。 圖4.1 供水系統(tǒng)主電路圖 變頻器主電路電源輸入端子(R、S、T)經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U、V、W)經(jīng)接觸器接至三相電動機

61、上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U、V、W)的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進(jìn)行。 4.1.2 PLC控制電路設(shè)計 圖4.2為本系統(tǒng)的控制電路圖?？刂齐娐分杏歇毩⒌淖詣涌刂撇糠趾褪謩涌刂撇糠郑哂蟹奖愕氖謩雍妥詣忧袚Q功能，由控制電路中的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA來實現(xiàn)。SB1、 SB3、SB5分別為1號泵電機、2號泵電

62、機、3號泵電機的啟動按鈕。SB2、 SB4、 SB6分別為1、2、3號泵電機的停止按鈕。HL1、 HL3、HL5分別為三個泵的工頻運行指示燈，HL2、HL4為1，2號泵電機的變頻運行指示燈，HL6、HL7分別為水位下限和變頻器故障報警指示燈，HA為故障電鈴。 圖4.2 控制系統(tǒng)電路圖 其控制線路工作過程如下： A．手動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動位置時，啟動電機，合上電源開關(guān)Q1、Q2，按下啟動按鈕SB1，接觸器KM1的線圈得電，接觸器KM1的主觸電立即閉合，電動機M1接通電源開始全壓啟動，同時KM1的輔助常開觸電也閉合，使KM1吸引線圈經(jīng)兩條路通電。這樣，當(dāng)松手SB1復(fù)位跳開時，KM

63、1由于自鎖正常運行。要使電動機M1停止運轉(zhuǎn)，只要按一下停止按鈕SB2即可。按下SB2，線圈KM1斷電釋放，則KM1的主觸點斷開電源，同時輔助常開觸電也斷開，控制回路解除自鎖，電動機M1自停車到轉(zhuǎn)速為零。電動機M2、M3同理。在手動方式下，水泵只能工頻運行，無法變頻運行。 B．自動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動位置時，接觸器的通斷由PLC程序控制，變頻器啟動，合上電源開關(guān)Q1、Q2，啟動PLC，開始運行程序，當(dāng)Q0.0有輸出時，KM1的線圈得電， KM1的主觸電閉合，水泵1開始工頻運行；當(dāng)Q0.1有輸出時，KM2的線圈得電， KM2的主觸電閉合，水泵1開始變頻運行。其他水泵的動作同理。 4.2

64、程序設(shè)計 4.2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計 PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動、停止程序、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。程序流程圖如圖4.3所示。 圖4.3 主程序流程圖 1.系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網(wǎng)壓力、電機頻率)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。 2.水泵電機切換程序 水泵電機切換是根據(jù)不同時段管網(wǎng)壓力大小和壓力設(shè)定值的比較結(jié)果來進(jìn)行切換機的。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，系統(tǒng)在一個

65、工作周期內(nèi)有四個工作狀態(tài)，即1號電機變頻運行；1號電機工頻運行，2號電機變頻運行（三號電機工頻運行）； 2號電機變頻運行；1號電機變頻運行，2號電機變頻運行（三號電機工頻運行）。一般情況下，水泵電機都處于這四種工作狀態(tài)之中，當(dāng)管網(wǎng)壓力發(fā)生變化時，四種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這四種工作狀態(tài)也對應(yīng)著四個切換過程。在水泵電機換機程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這幾個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。由于電機切換涉及到不同時段管網(wǎng)壓力大小和設(shè)定值的比較計算；電機反饋頻率的大小比較計算，因此在切換程序設(shè)計中還應(yīng)包含模擬量(壓力、頻率)比較計算和邏輯運算程序設(shè)計；同時要考慮電機根

66、據(jù)“先起先?！钡脑瓌t，使各泵平均運行以避免一臺泵長期工作，所以切換是根據(jù)電機運行時間的長短來自動完成不同電機間的切換；泵在啟動時有軟啟動功能，即在啟動前變頻器頻率要復(fù)位。 3.報警程序 報警程序是依據(jù)電動機的熱繼電器動作進(jìn)行設(shè)計的，當(dāng)電動機過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為PLC的輸入條件。對于電動機的熱繼電器輸入，報警指示輸出既需要三個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進(jìn)行蜂鳴器報警輸出?？梢愿鶕?jù)實際情況增加相應(yīng)的報警功能。 4.2.2 水泵電機切換程序 在系統(tǒng)工作流程中，我們知道當(dāng)一臺調(diào)速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)調(diào)速水泵和工頻運行水泵都在運行且調(diào)速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻運行水泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)行切換，才能使系統(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？ 在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50H