恒壓供水畢業(yè)設(shè)計論文.doc

青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄摘要ABSTRACT第1章 前言11.1供水現(xiàn)狀和恒壓供水供制11.2常見的幾種供水模式2第2章 控制方案選擇42.1變頻器控制方案討論42.2 PID控制原理42.3 本系統(tǒng)PID閉環(huán)控制框圖52.4 恒壓供水系統(tǒng)功能圖62.5水泵的選型62.6變頻器的選型7 2.6.1 變頻器的型號說明72.6.2 變頻器的技術(shù)指標及規(guī)格82.6.3 變頻器的基本運行配線圖92.7壓力傳感器的選擇11第3章 變頻調(diào)速技術(shù)簡介123.1 國內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀123.2變頻變恒壓供水系統(tǒng)的特點133.3變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理14第4章 可編程序控制器簡介154.1 PLC概況及發(fā)展現(xiàn)狀154.2 PLC的主要功能154.3 PLC的組成164.4 本系統(tǒng)選用的S7-200系列PLC簡介16第5章 利用組態(tài)王設(shè)計的上位機畫面175.1組態(tài)王簡介175.2組態(tài)王與S7-200的通信175.3利用組態(tài)王設(shè)計上位機17第6章 PLC電氣設(shè)計216.1 PLC控制部分硬件接線圖216.2 PLC軟件編程框圖236.3 PLC地址符號表24第7章 結(jié)論與展望25第8章 致謝26參考文獻27附錄28 附錄128 摘 要由于交流變頻技術(shù)的不斷成熟及完善，恒壓供水系統(tǒng)在當今的生活中有著舉足輕重的作用，例如城市規(guī)模越來越大，樓房的高度也遠遠超過過去，城市供水系統(tǒng)是一個突出的問題。在用水高峰時期，供水系統(tǒng)的電動機需要超負荷運行，但是在用水低峰時，用戶所需的用水量減少，但是電動機如果還處于滿負荷狀態(tài)下工作，這樣不但對電動機損耗較大而且浪費了大量的資源，所以恒壓供水系統(tǒng)具有較大的經(jīng)濟和社會意義。 本論文針對上述問題，設(shè)計了一套由PLC、變頻器、傳感器、水泵、計算機、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動變頻恒壓供水及其遠程監(jiān)控系統(tǒng)，具有全自動變頻恒壓運行、手動工頻與變頻運行等功能。通過對變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的預(yù)置，利用傳感器對實際水壓進行反饋，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)用水量的變化，采取PID調(diào)節(jié)方式，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵調(diào)節(jié)相結(jié)合，實現(xiàn)恒壓供水且有效節(jié)能。本系統(tǒng)做到不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足用戶對水的需求，又不使電動機空轉(zhuǎn)。系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有多種輔助功能，增強了系統(tǒng)的可靠性。并和計算機實現(xiàn)了有機的結(jié)合，提升了系統(tǒng)的總體性能。關(guān)鍵詞: 恒壓供水,PLC,組態(tài)王,變頻器ABSTRACTAs the AC frequency conversion technology continues to mature and perfect ，water-supplying system in todays life have a significant role, such as city size increases, the height of buildings is far more than in the past, the water-supplying system is a prominent problem. Peak in the water, the water-supplying system, large motor loads, in which case the motor will overload operation, but low water peak, the user needed to reduce water consumption, but the motor if it is at full capacity to work, so not only damage the motor but also waste a lot of great loss of resources, so constant pressure water-supplying system has a greater economic and social significance.In order to solve these problems, this paper design a set of PLC, inverter, sensors, pumps, computers, communications equipment modules and other major form of automatic constant pressure water-supplying and the remote monitoring system with automatic constant frequency operation, manual operating frequency and frequency functions. Converter with PID module on the preset parameters, using the actual pressure sensor feedback, closed loop system, according to changes in water consumption, to PID regulation mode, the entire flow range of the continuous use of pump-regulation and work frequency of the pump of a combination of constant pressure water supply and efficient energy.Water regardless of the size of the system to achieve a total of nearly constant pressure in the network to maintain control, so that each part can meet the water needs, makes the motor does not idle. This system solves the problems which the traditional way of water-supplying had, and have a variety of auxiliary functions, enhance the reliability of the system. And computer integrated, improved overall system performance.KEY WORDS: Constant Pressure Water-supplying,PLC,Kingview,InverterII 第1章 前言1.1 供水現(xiàn)狀和恒壓供水控制眾所周知，水是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物資，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。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)定性、經(jīng)濟性直接影響到人們的正常工作和生活。目前，大部分的水泵控制采用傳統(tǒng)的電力拖動方式，水泵在工頻下恒速運轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)方式會有以下這樣普遍的問題：運行中電動機的大多數(shù)，其平均負載率較低，導(dǎo)致電動機本身功效下降。平均負載率較低的原因很多。采用變頻調(diào)速技術(shù)可改善起動性能及運行特性，提高電力系統(tǒng)的系統(tǒng)效率。 傳統(tǒng)供水方式上，對于水流量的控制是通過人工改變調(diào)節(jié)閥門的開度實現(xiàn)，這種供水方式有很多種缺陷，集中表現(xiàn)在：(1)對電能的消耗大。當用戶需求水量減少時，調(diào)小閥門開度，但是電機還會在額定轉(zhuǎn)速下工作，有相當一部分能量消耗在水流與擋板的阻力之上。(2)電機突然起動時，管道內(nèi)的水流量從零迅速增至額定流量，流量的急劇變化在管道內(nèi)產(chǎn)生過高或過低的壓力，產(chǎn)生所謂的“水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)不但產(chǎn)生噪聲，在壓力高的瞬間，可能會造成管子或閥門破裂，而在壓力低時，又會引起管道的癟塌。恒壓供水控制實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(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，是先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。【1】目前，變頻調(diào)速在生活給水、建筑給水和工業(yè)給水中應(yīng)用越來越廣泛，其主要原因是：(1)變頻調(diào)速給水的供水壓力可調(diào)，可以方便地滿足各種供水壓力的需要。在設(shè)計階段可以降低對供水壓力計算準確度的要求，因為隨時可以方便地改變供水壓力。但在選泵時應(yīng)注意，泵的揚程宜大一些，因為變頻調(diào)速其最大壓力受水泵限制。最低使用壓力也不應(yīng)太小，因為水泵不允許在低揚程大流量下長期超負載工作，否則應(yīng)加大變頻器和電動機的容量，以防發(fā)生過載。(2)目前，變頻技術(shù)已很成熟，任何品牌的變頻器與變頻供水控制器配合，即可實現(xiàn)多泵并聯(lián)恒壓供水。有些變頻器設(shè)計生產(chǎn)廠家還把變頻器供水控制器直接做在供水專用變頻器中，使其可靠性更好，使用更方便。(3)變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果。由水泵一管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有兩種方法，一是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升，關(guān)小供水閥，流量下降；二是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速增高，供水流量增加，轉(zhuǎn)速下降，流量降低。對于用水流量經(jīng)常變化的場合(例如生活用水)，采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。變頻恒壓供水的優(yōu)點：用變頻調(diào)速來實現(xiàn)恒壓供水，與用調(diào)節(jié)閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比，節(jié)能效果十分顯著。除節(jié)能外，變頻恒壓供水的優(yōu)點還包括以下幾點：(1)起動平衡，起動電流可限制在額定電流之內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊。(2)由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命。(3)可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)。1.2 常見的幾種供水模式(1)恒速泵加壓供水：這種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)重力供水：重力供水通常需要設(shè)置水箱或者水塔，系統(tǒng)用水是由水箱或者水塔直接供應(yīng)，所以供水壓力比較穩(wěn)定。但它需要由位置高度所形成的壓力進行供水，為此需要建造水塔或者將水箱置于建筑物頂層的最高處。在大型建筑物中，即使如此，還常常不能滿足最不利供水點的供水要求。同時由于其存水比較大，在屋頂形成很大的負重，增加了結(jié)構(gòu)的承重和占用樓宇的建筑面積，也妨礙美觀，此外，屋頂水箱還必須高出屋面幾米，建筑立面較難處理，存在投資大、周期長、能源浪費大的缺點。(2)氣壓供水：氣壓供水是采用氣壓罐代替水塔或高位水箱利用密閉壓力罐內(nèi)的空氣將罐內(nèi)儲水壓到管網(wǎng)中去。它的優(yōu)點是靈活性大、建設(shè)快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水錘與噪聲，缺點是體積和投資大、壓力變化大、運行效率低、需要使用張力膜、維護費用高、耗費動力大。(4)變頻恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)即實現(xiàn)水泵電機的無級調(diào)速，根據(jù)用水量的變化自動調(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。將變頻調(diào)速技術(shù)用于更新改造傳統(tǒng)供水設(shè)備之后，大大地推動了恒壓供水技術(shù)裝備的發(fā)展。這種恒壓供水方式與傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，在設(shè)備的投資、運行的經(jīng)濟性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和自動化程度等方面具有無法比擬的優(yōu)勢。供水系統(tǒng)采用變頻控制，既能大量節(jié)約能源，又能穩(wěn)定供水系統(tǒng)的壓力，保障管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行?！?】第2章 控制方案選擇2.1 變頻器控制方案討論有兩種可選方案，一種是：由兩臺電機帶動水泵供水，其中一臺電機為變頻控制；另一種方案是：兩臺電機均帶變頻控制?！?】第一種方案：在用水量較小時，由第一臺電機單獨調(diào)頻恒壓控制，第二臺電機停運，當用水量增加，變頻達到工頻運行時，將第一臺電機切換為工頻運行，變頻器帶第二臺電機補充供水。在這種運行狀況下，當?shù)诙_電機運行頻率較低，接近停止時，切除第一臺電機，由第二臺電機單獨調(diào)頻恒壓控制。以后，根據(jù)運行狀況，再重復(fù)以上過程。第二種方案：兩臺電機各用一臺變頻器，反饋控制信號串接在兩臺變頻器上，進行恒壓供水。兩種方案比較：第一種方案，使用一臺變頻器，故投資少，而且，在一臺電機出現(xiàn)故障時，另一臺電機可繼續(xù)供水。第二種方案，使用兩臺變頻器，投資較大。綜合考慮，本系統(tǒng)設(shè)計采用第一種控制方案。2.2 PID控制原理目前控制理論的發(fā)展經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。由于PID控制理論的不斷成熟及完善，在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制改善系統(tǒng)的動態(tài)特性一般由三種典型調(diào)節(jié)作用組成，它們是比例、積分和微分作用，即P、I、D作用。(1)比例(P)控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。(2)積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的一或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。(3)微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。2.3 本系統(tǒng)PID閉環(huán)控制框圖圖2.1 系統(tǒng)閉環(huán)框圖從閉環(huán)控制框圖中可以看出，在整個系統(tǒng)運行中，如果供水的實際壓力比設(shè)定壓力小，系統(tǒng)將得到反饋的正的壓力差，差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，得出變頻器輸出頻率的增加值，通過這種運算就是為了縮小實際供水壓力和設(shè)定壓力的偏差，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應(yīng)該輸出的頻率。該增加后的頻率使得電機轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力增大，在系統(tǒng)運行中會重復(fù)上述過程，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果系統(tǒng)運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，電機的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力會逐漸變小。但是最后的結(jié)果依然是使得供水壓力值和設(shè)定壓力相等。2.4 恒壓供水系統(tǒng)功能框圖PLC反饋信號變頻器控制按鈕電動機圖2.2 系統(tǒng)功能框圖2.5水泵的選型選擇水泵要根據(jù)兩個條件，一個是水泵抽水的流量，另一個是水泵供水的總揚程。所以水泵選型的步驟如下：（1）估計水泵的總揚程：水泵總揚程=地形揚程+管道阻力揚程+水泵管道阻力揚程(3米)+設(shè)備揚程。（2）選型：根據(jù)自己需要的流量以及揚程，結(jié)合廠家提供的信息，得出幾個可能用的水泵號后，再查水泵樣本，落實究竟哪一種是最合用的水泵型號。根據(jù)以上的分析，最后選定國產(chǎn)揚子江泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的IS型離心泵，IS型單級單吸(軸向吸入)離心泵，是全國聯(lián)合設(shè)計的節(jié)能泵，它是BA型、B型及其他單級清水離心泵的更新型。優(yōu)點有：全系列水力性能布局合理，用戶選擇范圍寬，檢修方便；效率和吸程達到國際平均先進水平。具體型號為IS6540250A，其參數(shù)在表2.1中：表2.1水泵選型表水泵型號流 量m3h揚 程m電機功率kW水泵型號流 量m3h揚 程m電機功率kWIS80-65-160B43245.5IS125-100-4001005030IS80-50-200505015IS125-100-400A934422IS80-50-200A464411IS125-100-400B863818.5IS80-50-200B433811IS150-125-2502002018.5IS80-50-250508022IS150-125-250A18717.515IS80-50-250A467018.5IS150-125-250B1731511IS80-50-250B436015IS150-125-3152003230 續(xù)表2.1IS80-50-3155012537IS150-125-315A1872822IS80-50-315A4711437IS150-125-315B1732418.5IS80-50-315B4510330IS150-125-4002005045IS100-80-1251002011IS150-125-400A1874437IS100-80-125A89167.5IS150-125-400B1733830IS100-80-1601003215IS200-150-2504002037IS100-80-160A932811IS200-150-250A37417.5302.6變頻器的選型2.6.1 變頻器的型號說明本系統(tǒng)選用深圳市康沃電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的內(nèi)置PID模塊的CVF-P2系列風(fēng)機、水泵專用變頻器。圖2.3變頻器型號說明圖如圖2.3所示，P2系列變頻器是根據(jù)風(fēng)機、水泵在運行當中的各種狀態(tài)及參數(shù)而專門設(shè)計的，規(guī)格覆蓋了大中小各種風(fēng)機水泵的功率等級。它們的使用使風(fēng)機水泵的集中控制和自動調(diào)節(jié)成為現(xiàn)實。 其性能特點有：（1）寬調(diào)頻范圍0-500Hz任意可調(diào)（2）提供直流0-5V10V、10V+10V兩組電源（3）6種多段速控制功能（4）脈沖輸入口010KHz(上、下可選)（5）高達15KHz的載波頻率，最大限度降低電機噪音（6）標準RS485通信接口(可選)（7）具有自動節(jié)能運行功能，可根據(jù)負載大小，自動調(diào)節(jié)電機的工（8）作狀態(tài)，保持高效率節(jié)能運行。（9）具有內(nèi)部計數(shù)器和定時器（10）內(nèi)置PID控制器的參數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際需求和系統(tǒng)特性進行調(diào)整。2.6.2 變頻器的技術(shù)指標及規(guī)格表2.2變頻器技術(shù)指標及規(guī)格輸入額定電壓、頻率三相 380V 50/60Hz電壓允許變動范圍320V460V; 電壓失衡率3%; 頻率5%輸出電壓0380V頻率0Hz 500Hz過載能力G2系列：額定電流*150% / 1分鐘，額定電流*180% / 2秒；P2系列：額定電流*120% / 1分鐘，額定電流*150% / 2秒。控制特性控制特性控制特控制方式V/F控制頻率設(shè)定分辨率模擬端子輸入最大輸出頻率的 0.1% 數(shù)字設(shè)定0.01Hz面板模擬設(shè)定最大頻率的 0.4 %外部脈沖最大頻率的 0.1%頻率精度模擬設(shè)定最大輸出頻率的0.2%數(shù)字設(shè)定設(shè)定輸出頻率的0.01%外部脈沖設(shè)定最大輸出頻率的0.1%V/F曲線（電壓頻率特性）基準頻率在5500Hz任意設(shè)定，可選擇恒轉(zhuǎn)矩、遞減轉(zhuǎn)矩1、遞減轉(zhuǎn)矩2共三類曲線轉(zhuǎn)矩提升手動設(shè)定：額定輸出的020%自動提升：根據(jù)輸出電流自動確定提升轉(zhuǎn)矩自動節(jié)能運行根據(jù)負載情況，自動優(yōu)化V/F曲線，實現(xiàn)節(jié)能運行。加、減速時間設(shè)定0.16000秒連續(xù)可設(shè)，S型、直線型模式可選制動能耗制動電機輸出額定轉(zhuǎn)矩*75%直流制動啟動、停止時分別可選，動作頻率015Hz，電機額定電壓*（015%），動作時間020.0秒、或持續(xù)動作自動限流功能快速電流自動抑制能力，防止加速過程中及沖擊性負載下頻繁過流故障電壓失速防止保證減速過程中不發(fā)生過電壓載波調(diào)整載波頻率1.5KHz 15.0KHz 連續(xù)可調(diào)，最大限度降低電機噪聲頻率設(shè)定信號模擬輸入直流電壓010V、-10V10V，直流電流020mA（上、下限可選）數(shù)字設(shè)定使用操作面板脈沖輸入050.000KHz （上、下限可選）啟動信號正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動信號自保持（三線控制）可選定時器、計數(shù)器內(nèi)置定時器、計數(shù)器各一個，方便系統(tǒng)集成多段速控制功能/擺頻運行最多7段可編程多段速控制，每段速度的運行方向、運行時間分別可設(shè)。當用外部端子控制時，可達15段速，具有包括擺頻運行在內(nèi)的6種運行模式內(nèi)置PID控制普通PID可以方便地構(gòu)成簡易閉環(huán)控制系統(tǒng)而不需附加PID控制器。供水專用（需附件）通過附件可以構(gòu)成最多4泵切換的恒壓供水系統(tǒng)，包括壓力上下限報警、壓力上下限限制、睡眠/蘇醒、定時供水等多種專用功能運行功能上、下限頻率設(shè)定，頻率跳躍運行，反轉(zhuǎn)運行限制，轉(zhuǎn)差頻率補償，自動穩(wěn)壓運行，RS485通訊，頻率遞增、遞減控制，故障自恢復(fù)運行、多機連動運行續(xù)表2.2輸出信號運行狀態(tài)(OC輸出)變頻器運轉(zhuǎn)中，頻率到達，頻率水平檢測，過載報警，外部故障停機，頻率上限到達，頻率下限到達，欠壓停止，零速運轉(zhuǎn)，可編程多段速狀態(tài)，內(nèi)部計數(shù)器到達，內(nèi)部定時器到達，壓力上、下限報警指示儀表輸出頻率、輸出電流、輸出電壓、電機轉(zhuǎn)速、PID設(shè)定與反饋,可外接電壓表、頻率計顯示操作面板顯示運行狀態(tài)輸出頻率，輸出電流，輸出電壓，電機轉(zhuǎn)速，設(shè)定頻率，PID設(shè)定，PID反饋，模塊溫度，運行時間累計，模擬輸入輸出、端子輸入狀態(tài)等報警內(nèi)容最近六次故障記錄，最近一次故障跳閘時的輸出頻率、設(shè)定頻率、輸出電流、輸出電壓、直流電壓、模塊溫度、端子狀態(tài)、累計運行時間8項運行參數(shù)記錄保護/報警功能過電流，過電壓，欠壓，電子熱繼電器保護，過熱，短路，過載環(huán)境周圍溫度-10C至+50C（不凍結(jié)） （40-50時，請降額使用）周圍濕度90%以下（不結(jié)霜）周圍環(huán)境室內(nèi)（無陽光直曬、無腐蝕、無易燃氣體，無油霧、塵埃，無水蒸氣、水滴等）海拔低于1000m結(jié)構(gòu)防護等級IP20冷卻方式強制風(fēng)冷安裝方式壁掛式2.6.3 變頻器的基本運行配線圖變頻器的基本運行配線圖如圖2.4所示：圖2.4 基本運行配線圖2.7壓力傳感器的選擇采用壓力變送器可以直接把網(wǎng)管內(nèi)的水壓這個模擬信號轉(zhuǎn)換為標準的電信號，從而有效的減少了系統(tǒng)的硬件配置，利用較少的元件實現(xiàn)較復(fù)雜的功能，在實際應(yīng)用中，壓力變送器的使用環(huán)境比較惡劣，考慮到水對人們生活的重要性，保證供水的壓力滿足人們生活的需要，為此選用奧脈絡(luò)AM693變頻恒壓供水專用儀表壓力變送器。AM69系列壓力變送器的獨特之處在于：采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)的激光溫補硅傳感膜片；采用絕對工業(yè)級的高可靠變送模塊；采用創(chuàng)新的奧脈絡(luò)制造工藝。此三項領(lǐng)先技術(shù)的結(jié)合使該系列產(chǎn)品達到了模擬式壓力變送器的最新水準。其技術(shù)指標如下：使用溫度：-20-70貯藏溫度：40-125相對濕度： (95RH工作電壓：12一-,36VDC輸出信號：4-20mADC，也可選擇其它輸出信號(詳見選型表)量程：0170MPa詳見選型表零點：在量程的30內(nèi)連續(xù)可調(diào)過壓：量程34KPa時為138KPa,其它為3-一10倍量程灌充液體積：約02cm3過程連接件：SS316不銹鋼膜片：SS316不銹鋼殼體材料：無銅鋁合金壓鑄件顏色：銀灰色、駝灰色、藍色安裝型式：螺紋或法蘭安裝重量：約08kg法蘭結(jié)構(gòu)除外綜合精度：02FS；05FS介質(zhì)溫度影響：0015FS長期穩(wěn)定性：每年優(yōu)于02電源影響：00015FSV防爆等級：ExibIICT4防護等級：IP65第3章變頻調(diào)速技術(shù)簡介3.1 國內(nèi)外變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀變頻器的快速發(fā)展得益于電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)及電機控制理論的發(fā)展。1964年，最先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中的是德國人。20世紀80年代初，日本學(xué)者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法。此方法以三相波形的整體生成效果為基礎(chǔ)，以逼近電機氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)成為變頻調(diào)速技術(shù)的核心。從20世紀80年代后半期開始，美、日、德、英等發(fā)達國家的基于VVVF技術(shù)的通用變頻器已商品化并廣泛應(yīng)用。1980年，德國人在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了進展，促進了矢量控制的實用化。此后，日本廠商竟相研究矢量控制技術(shù)，并在產(chǎn)品性能和價格兩方面取得進展；理論界則應(yīng)用現(xiàn)代控制理論把矢量控制的理論進一步深化，取得了解藕控制、速度觀測、參數(shù)自適應(yīng)、無速度傳感器矢量控制等方面的理論成果。自1992年開始，德國西門子公司相繼開發(fā)了6SE70系列通用變頻器，通過FC，VC，SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年該系列通用變頻器的容量就擴展到3lkw以上。1985年，德國人提出了基于六邊形乃至圓形磁鏈軌跡的直接轉(zhuǎn)矩控制理論(DSC)。這種方法不需要復(fù)雜的坐標變換，而是直接在電動機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，實現(xiàn)脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。最初，這種控制方法主要在高壓、大功率且開關(guān)頻率較低的逆變器控制中應(yīng)用；目前被應(yīng)用于通用變頻器的控制方法的一種改進的、適合于高開關(guān)頻率逆變器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其各系列通用變頻器的核心技術(shù)。國外在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方面特點為：市場需求量大；功率器件發(fā)展迅速；控制理論和微電子技術(shù)的支持。變頻器的發(fā)展水平是由電力電子技術(shù)、電機控制方式以及自動化控制水平三個方面決定的。在現(xiàn)代自動化控制領(lǐng)域中，以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論，為高性能變頻調(diào)速提供了理論基礎(chǔ)；6位、32位高速微處理器以及信號處理器(DSP)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，則為實現(xiàn)變頻調(diào)速的高精度、多功能提供了硬件手段。在我國，60的發(fā)電量是通過電動機消耗掉的，因此，如何利用電機調(diào)速技術(shù)進行電機運行方式的改造以節(jié)約電能，一直受到國家和業(yè)界人士的重視。我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始于1954年。當時，在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，即現(xiàn)在的天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身?，F(xiàn)在，我國約有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作，但自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品和國際市場上的同類產(chǎn)品相比，還有比較大的技術(shù)差距。隨著改革開放和經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國采取要么直接從發(fā)達國家進口現(xiàn)成的變頻調(diào)速設(shè)備，要么內(nèi)外結(jié)合，即在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進口或合資企業(yè)的先進變頻調(diào)速設(shè)備，然后自己開發(fā)應(yīng)用軟件的辦法，很好地為國內(nèi)重大工程項目提供了電氣傳動控制系統(tǒng)的解決辦法，適應(yīng)了社會的需要?？傊?，雖然國內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)取得了較好的成績，但是總體上來說國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)相關(guān)設(shè)備的能力還比較弱，對國外公司的依賴還很嚴重。國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下：(1)變頻器的整體技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力研究變頻技術(shù)并開發(fā)新產(chǎn)品，但由于分散，所以并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。(2)變頻器產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎空白。(3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。(4)產(chǎn)品可靠性及工藝水平低?！?】3.2 變頻變恒壓供水系統(tǒng)的特點(1)節(jié)能性：恒壓供水技術(shù)因為采用變頻器改變電動機的供電頻率，從而達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，相對于閥門調(diào)節(jié)控制水泵出口壓力的方式來說，具有降低管道阻力、大大減少截流損失的效應(yīng)。同時，由于變量泵工作在變頻電源下，其運行過程中的轉(zhuǎn)速是由外界供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約大量的電能，經(jīng)濟效益十分明顯。由于其節(jié)能效果明顯，所以系統(tǒng)投資成本可在短期內(nèi)收回，并能長期受益，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大的。(2)可延長電機和水泵壽命：由于變頻泵在變頻下工作，其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長了泵和電動機的機械使用壽命。(3)便于實現(xiàn)自動化：采用閉環(huán)恒壓控制之后，管網(wǎng)用水流量變化時，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)供水壓力使其與實時用水流量處于平衡狀態(tài)，整個過程不需要人員操作，可完全實現(xiàn)自動化。(4)減少電網(wǎng)沖擊：水泵電機采用軟啟動方式，可以避免電動機啟動時的電流沖擊，減少對電網(wǎng)電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成水泵系統(tǒng)的喘振。(5)時滯性和非線性：變頻恒壓供水系統(tǒng)具有時滯性和非線性的特點。時滯性是由于控制量(管網(wǎng)水壓)在閉環(huán)反饋中有一個時間上的響應(yīng)過程，而非線性則是由于管阻、水錘等因素的影響導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)水壓的變化不成正比。因此，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性的時滯系統(tǒng)。(6)容錯性：當出現(xiàn)意外情況時，系統(tǒng)能根據(jù)水泵及變頻器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。【5】3.3 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理交流電動機分為同步電動機和異步電動機兩大類型，其轉(zhuǎn)速表達式分別為： N。=60fP (3.1) N=60f(1一S)P (3.2) S=F(U，RI，X1，R2，X2) (3.3)式中：N。一同步電動機轉(zhuǎn)數(shù)N一異步電動機轉(zhuǎn)數(shù)f一電源頻率P一定子繞組級對數(shù)S一異步電動機轉(zhuǎn)差率U一電源電壓Rl一定子繞組電阻X1一定子繞組電抗I足2-轉(zhuǎn)子繞組電阻X2一轉(zhuǎn)子繞組電抗從上式可知，當極對數(shù)P不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速時，從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、平滑性較高、機械特性較硬的優(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，它被廣泛應(yīng)用于水泵電機的調(diào)速?！?】第4章 可編程序控制器簡介4.1 PLC概況及發(fā)展現(xiàn)狀可編程序控制器(program logical controller)，簡稱PLC，是一種專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是當今工業(yè)發(fā)達國家自動控制的標準設(shè)備之一。由于PLC采用了“三機一體化的綜合技術(shù)即集計算機、儀器儀表、電氣控制于一身，具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，因而與其它控制器相比它更加適合工業(yè)控制環(huán)境和市場的要求；再加上PLC發(fā)展過程中產(chǎn)品的系列化、產(chǎn)業(yè)化和標準化，之從早期的邏輯控制、順序控制迅速擴展到了連續(xù)控制，開始進入批量控制和過程控制領(lǐng)域，并迅速成為工業(yè)自動化系統(tǒng)的支柱。目前，PLC在小型化、大型化、大容量、強功能等方面有了質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)代PLC發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點：(1) 小型PLC產(chǎn)品功能增強、結(jié)構(gòu)優(yōu)化(2) 強化聯(lián)網(wǎng)通信能力(3) PLC的通信(4) IO模塊分散化、智能化(5) 編程語言和編程工具向標準化和高級化發(fā)展(6) 迅速與其它工業(yè)產(chǎn)品整合4.2 PLC的主要功能(1)數(shù)據(jù)采集與輸出可實現(xiàn)在線的數(shù)據(jù)(包括模擬量和數(shù)字量)采集和輸出；(2)控制功能包括順序控制、邏輯控制、定時、計數(shù)；(3)數(shù)據(jù)處理功能能進行基本數(shù)學(xué)運算、邏輯運算、PID運算、比較、濾波等，還可用高級語言編程實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法；(4)輸入輸出信號調(diào)制功能具有AD、DA轉(zhuǎn)換功能，通過IO模塊(可遠程進行)完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)，具有溫度、位置等測量接口；(5)通信、聯(lián)網(wǎng)功能(6)支持人機界面功能通過友好的人機界面向操作者提供監(jiān)視機器和過程工作必需的信息。允許操作者通過人機界面與其應(yīng)用程序相互作用，以便作決策和調(diào)整，實現(xiàn)工業(yè)的分散控制和集中監(jiān)視管理。(7) 編程、調(diào)試等大部分PLC支持在線編程和調(diào)試，便于發(fā)現(xiàn)錯誤，優(yōu)化程序。4.3 PLC的組成可編程控制器PLC是一種以微處理器為核心的用于工程自動控制的工業(yè)控制機，其本質(zhì)是一臺工業(yè)控制專用計算機。它的軟、硬件配置與計算機極為類似，只不過它比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的接口和更直接的適應(yīng)于控制要求的編程語言。PLC機硬件主要由中央處理單元(CPU)、存貯器、輸入/輸出單元以及編程器、電源和智能輸入/輸出單元等構(gòu)成。4.4 本系統(tǒng)選用的S7-200系列PLC簡介西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型可編程序控制器，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可以用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)。$7-200系列PLC共有5種基本型號的CPU模塊，即CPU22 1、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM，控制點數(shù)可以從1 0點擴展到248點。其中，CPU22 1無擴展功能，適于用做小點數(shù)的微型控制器，CPU222有擴展功能，CPU224是具有較強控制功能的控制器，CPU226和CPU226 XM適用于復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。所有型號的CPU在內(nèi)部都集成了1個(CPU22 1、CPU222、CPU224)或2個(CPU226， CPU226XM)通訊口，該通訊口為標準的RS485口，可在三種方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通訊口方式。另外，S7-200可通過增加EM277模塊接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，通過CP243-I通訊模塊連入工業(yè)以太網(wǎng).?！?】第五章 利用組態(tài)王設(shè)計的上位機畫面5.1組態(tài)王簡介組態(tài)王(KingView)是目前國內(nèi)比較流行的一種國產(chǎn)工業(yè)自動化通用組態(tài)軟件，適用于中小規(guī)模工業(yè)監(jiān)控機，價格低廉。組態(tài)王配有加密鎖，支持工程加密；驅(qū)動程序較為豐富，如支持DDE、板卡、OPC服務(wù)器、PLC、智能儀表、智能模塊等；支持ActiveX控件、配方管理、數(shù)據(jù)庫訪問、網(wǎng)絡(luò)功能、冗余功能。其擴展性強，可與管理計算機或控制計算機聯(lián)網(wǎng)通信。組態(tài)王主要用來組成監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使現(xiàn)場的信息實時地傳送到控制室。保證現(xiàn)場操作人員和工廠管理人員都可以看到各種數(shù)據(jù)。管理人員不需要深入生產(chǎn)現(xiàn)場，就可以獲得實時和歷史數(shù)據(jù)。優(yōu)化控制現(xiàn)場作業(yè)，提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量。組態(tài)王擁有豐富的工具箱、圖庫和操作向?qū)?，在工業(yè)控制中應(yīng)用廣泛。5.2組態(tài)王與S7-200的通信本系統(tǒng)工控機與PLC進行通訊采用PPI(Point-to-Point)通信方式。PPI(Point-to-Point)是西門子專為S7-200系列開發(fā)的一個通訊協(xié)議，為主從協(xié)議，PC機為主站，S7-200為從站。在該方式下，使用PPI電纜將PC機串口和S7-200的通訊口相連，采用串行通訊方式。在該方式下，使用PLC編程軟件STEP 7一MicroWIN32安裝通訊硬件，在“SET PGPC Interface”對話框中配置PCPPI cable，Interface Parameter Assignment為PPI，并設(shè)置PPI參數(shù)默認值，雙擊通訊框中得刷新圖標后建立與S7200的通信連接。上位機組態(tài)王的設(shè)置基本相同，首先使用“設(shè)備配置向?qū)А倍x外部設(shè)備，選擇西門子S7200系列PPI通信，并設(shè)定如下通信參數(shù)：波特率9600bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗。將PLC地址設(shè)為默認地址2。5.3利用組態(tài)王設(shè)計上位機設(shè)計步驟：第一步：創(chuàng)建新工程為工程創(chuàng)建一個目錄用來存放與工程相關(guān)的文件。第二步：定義硬件設(shè)備并添加工程變量，添加工程中需要的硬件設(shè)備和工程中使用的變量，包括內(nèi)存變量和IO變量。第三步：制作圖形畫面并定義動畫連接按照實際工程的要求繪制監(jiān)控畫面并使靜態(tài)畫面隨著過程控制對象產(chǎn)生動態(tài)效果。第四步：編寫命令語言通過腳本程序的編寫以完成較復(fù)雜的操作上位控制。第五步：進行運行系統(tǒng)的配置，對運行系統(tǒng)、報警、歷史數(shù)據(jù)記錄等進行設(shè)置，是系統(tǒng)完成用于現(xiàn)場前的必各工作。第六步：保存工程并運行。本設(shè)計中利用組態(tài)王設(shè)計了以下五個畫面：恒壓供水系統(tǒng)主畫面、報警畫面，實時與歷史趨勢曲線畫面、數(shù)據(jù)報表畫面。【8】如以下圖5.1-圖5.5所示。圖5.1 恒壓供水系統(tǒng)主畫面圖5.2 報警畫面圖5.3 報表畫面圖5.4 實時趨勢曲線畫面圖5.5 歷史趨勢曲線畫面第6章PLC電氣設(shè)計6.1 PLC控制部分硬件接線圖KMl、KM3及KM2、KM4實現(xiàn)電動機A和B在工頻及變頻狀態(tài)下的切換，切換由可編程序控制器（PLC）完成。在輸出電路部分中，對KMl、KM3及KM2、KM4之間聯(lián)鎖設(shè)計，這樣避免了接觸器同時吸合，減小了發(fā)生故障的概率。在上位機中對系統(tǒng)設(shè)置了兩種運行狀態(tài)：手動和自動。在手動狀態(tài)下，有四種模式：A變頻運行、B變頻運行、A工頻運行、B工頻運行。在自動運行方式下，按起動按紐，實現(xiàn)恒壓供水的自動運行。恒壓供水系統(tǒng)硬件接線見圖6.1圖6.1 硬件接線圖6.2 PLC軟件編程框圖自動程序見圖6.2圖6.2 自動程序流程圖手動程序見圖6.3圖6.3 手動程序流程圖6.3 PLC地址符號表表6.1 PLC地址符1自動程序框圖中的第二步M2.0BOOL2A泵變頻接觸器KMl吸合I 1.0BOOL3A變頻運行輸出Q 1.1BOOL4自動程序框圖中的第三步M2.1BOOL5A泵工頻接觸器KM2吸合I 1.1BOOL6A工頻運行輸出Q 1.2BOOL7自動程序框圖中的第四步M2.2BOOL8B泵變頻接觸器KM3吸合I 1.2BOOL9B變頻運行輸出Q 1.3BOOL10自動程序框圖中的第五步M2.3BOOL11B泵工頻接觸器K