畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于S7200PLC的變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系系 部：部： 專專 業(yè)：業(yè)： 班班 級(jí)：級(jí)： 姓姓 名：名： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 聯(lián)系電話：聯(lián)系電話： 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 目目 錄錄 摘摘 要要.- 3 - 第一章第一章 緒緒 論論.- 4 - 1.1 課題設(shè)計(jì)背景 .- 4 - 1.2 課題研究的目的和意義 .- 4 - 第二章第二章 恒壓供水基本原理恒壓供水基本原理.- 7 - 2.1 供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .- 7 - 2.2 恒壓供水基本原理 .- 7 - 2.2.1 恒壓供水原理.- 7 - 2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì).- 8 - 2.2.3 恒壓供水的優(yōu)點(diǎn).- 9 - 第三章第三章

2、恒壓供水系統(tǒng)元件選擇恒壓供水系統(tǒng)元件選擇.- 11 - 3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 .- 11 - 3.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).- 11 - 3.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案.- 12 - 3.1.3 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型.- 13 - 3.2 plc 及其擴(kuò)展模塊的選型.- 14 - 3.3 變頻器的介紹 .- 15 - 3.3.1 選擇變頻器規(guī)格.- 15 - 3.3.2 開(kāi)關(guān)指令信號(hào)的輸入.- 17 - 3.3.3 變頻器與 plc 的連接.- 17 - 3.4 傳感器 .- 19 - 第四章第四章 恒壓供水系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)電路設(shè)計(jì).- 21 - 4.1 系統(tǒng)主

3、電路分析及其設(shè)計(jì) .- 21 - 4.2 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) .- 22 - 4.3 plc 的 i/o 端口分配及外圍接線圖.- 24 - 4.4 plc 程序設(shè)計(jì).- 27 - 4.4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì).- 27 - 4.4.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì).- 31 - 4.5 pid 設(shè)計(jì).- 34 - 4.5.1 pid 控制.- 34 - 4.5.2 恒壓供水 pid 調(diào)節(jié)過(guò)程分析.- 35 - 4.5.3 pid 控制器的應(yīng)用.- 36 - 第五章第五章 總總 結(jié)結(jié).- 38 - 5.1 全文總結(jié) .- 38 - 5.2 研究展望 .- 38 - 致致 謝謝.- 39 - 參參

4、 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).- 40 - 摘摘 要要 建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開(kāi)發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。 由于傳統(tǒng)供水方式的缺陷，本文設(shè)計(jì)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(shí)，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(jī)組、壓力變送器等構(gòu)成。共三 臺(tái)電機(jī)，其中由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，一臺(tái)電機(jī)備 用?？刂葡到y(tǒng)中采用德國(guó) siemens 公司的 s7-200 可編程控制器來(lái)控制水泵電 機(jī)的投入臺(tái)數(shù)及運(yùn)行方式；同時(shí)利用其中的數(shù)字 pid 控制器，由 fb41 將壓力 給定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行處理，實(shí)

5、時(shí)控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變水泵 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)改變水泵出水口流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動(dòng)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(hù)、過(guò)載保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大 大延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 課題設(shè)計(jì)背景課題設(shè)計(jì)背景 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人 們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的 要求。而我們國(guó)家是個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)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(dòng)化程度低。而其中 的老水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)配置相對(duì)落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員

6、的手工操 作。控制過(guò)程繁瑣，而且手動(dòng)控制無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時(shí)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(mén)的阻力調(diào)節(jié)水流量。這種靠水的勢(shì)能或氣壓供水方式具有 占地面積大、投資高、水泵電機(jī)啟動(dòng)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(diǎn)；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機(jī)的頻 繁開(kāi)啟使設(shè)備故障率高，檢修、維護(hù)也存在困難，而且像水塔這樣傳統(tǒng)的供水 系統(tǒng)，在維護(hù)和升級(jí)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

7、迫在眉睫。 同時(shí)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(jì)算機(jī)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(yùn)用， 實(shí)現(xiàn)了水泵電機(jī)無(wú)級(jí)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(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無(wú)疑為現(xiàn)代化高性能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(kāi)發(fā)的全自動(dòng)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(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以

8、來(lái)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(dòng)化 程度低，而隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)也對(duì)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(gè)重要方面，供 水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)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(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方 式，其優(yōu)缺點(diǎn)如下： 1、恒速泵加壓供水方式無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力做出及時(shí)

9、的反應(yīng)，水泵的 增減都依賴人工進(jìn)行手工操作，自動(dòng)化程度低，而且為保證供水，機(jī)組常處于 滿負(fù)荷運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時(shí)，管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超 壓運(yùn)行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴(yán)重，電機(jī)硬起動(dòng)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(jiǎn)單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或 停電可不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電 機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)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(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式 調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工 作量大，而且

10、為減少水泵起動(dòng)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(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)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(duì)一驅(qū)動(dòng)，需經(jīng)常檢修;優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單明了，維修方便。 5、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面 幾種供水方式，但是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)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)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效 率低；可靠性差；自動(dòng)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)

11、中的用水。目前的供水方式朝高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，變頻調(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，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制 冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級(jí)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 表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開(kāi)、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及供水 水壓對(duì)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1。 基于 plc 和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技 術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)系 統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天

12、尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系 統(tǒng)，對(duì)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(shí) 意義。 第二章第二章 恒壓供水基本原理恒壓供水基本原理 2.1 供水系統(tǒng)供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 自 80 年代初，全國(guó)各行業(yè)大力開(kāi)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(diǎn)。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(duì)于多層住宅來(lái)說(shuō)，是一種比較完善的供水系統(tǒng)。 在自動(dòng)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(shí) 際用水量決定的。根據(jù)反饋原理:要維持一個(gè)物理量的數(shù)值大小恒定或者基本不 變

13、，就應(yīng)該引入這個(gè)物理量跟該恒定值比較，形成閉環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)樵诤銐汗┧?系統(tǒng)中，我們要想保持的供水管網(wǎng)的壓力恒定，因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 恒壓供水基本原理恒壓供水基本原理 2.2.1 恒壓供水原理恒壓供水原理 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是系統(tǒng) 的基本控制對(duì)象。但是，流量的大小取決于揚(yáng)程，揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控 制?？紤]到在動(dòng)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

14、力不變。 可見(jiàn)，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(lái)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， 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)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì) 采用電動(dòng)機(jī)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(yùn)行，并自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管 網(wǎng)流量變化時(shí)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(shí)際值進(jìn)行比較，其 差值輸入經(jīng)運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，

15、控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量 泵電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)的工業(yè)過(guò)程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點(diǎn)測(cè)的壓力信 號(hào)(420ma)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(guò)變頻器內(nèi)置 pid 運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻 率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 恒壓供水泵站一般需要設(shè)多臺(tái)水泵及電機(jī)，這比設(shè)單臺(tái)水泵電機(jī)節(jié)能而可 靠。配單臺(tái)電機(jī)及水泵時(shí)，它們的功率必須足夠大，在用水量少時(shí)來(lái)開(kāi)一臺(tái)大 電機(jī)肯定是浪費(fèi)的，電機(jī)選小了用水量大時(shí)供水量則相應(yīng)的會(huì)不足。而且水泵 與電機(jī)維修的時(shí)候，備用泵是

16、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(jī)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(jī)供電。在此這里有兩種配置方案，一種是為每一臺(tái)水泵電機(jī)配一 臺(tái)相應(yīng)的變頻器，從解決問(wèn)題方案這個(gè)比較簡(jiǎn)單和方便，電機(jī)與變頻器間不須 切換，但是從經(jīng)費(fèi)的角度來(lái)看的話這樣比較昂貴。另一種方案則是數(shù)臺(tái)電機(jī)配 一臺(tái)變頻器，變頻器與電機(jī)間可以切換的，供水運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)水泵變頻運(yùn)行， 其余的水泵工頻運(yùn)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(cè)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(shí)，水壓降低；用水量小時(shí)，水壓升 高。水壓傳感器將水壓

17、的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o調(diào)節(jié)器。 交流接觸器組 plc(內(nèi)置 pid) 管道電機(jī)泵組變頻器 壓力傳感器 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(lái) 管網(wǎng)水壓的實(shí)測(cè)值和根據(jù)給定值與實(shí)測(cè)值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng) 調(diào)接信號(hào)等功能。調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)一般是模擬信號(hào)，4-20ma 變化的電流信號(hào) 或 0-10v 間變化的電壓信號(hào)。信號(hào)的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于 驅(qū)動(dòng)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

18、務(wù)就是代替調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與 調(diào)節(jié)工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)字 pid 調(diào)節(jié)；它還控制水泵的運(yùn)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(jī)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(yùn)行時(shí)達(dá)到最高頻時(shí)，須 增加一臺(tái)工頻泵投入運(yùn)行。plc 則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。plc 同時(shí)還是變頻器 的驅(qū)動(dòng)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(lái)的模擬信號(hào)， 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(hào)，并依此 信號(hào)的變化改變變頻器的輸出頻率。另

19、外，泵站的其他控制邏輯也由 plc 承擔(dān)， 如：手動(dòng)、自動(dòng)操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報(bào)警，系 統(tǒng)的自檢等等。 2.2.3 恒壓供水的恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根到底是為了滿足用戶對(duì)流量的需求。所以， 流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn) 行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，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(shí)壓力上升，供水能力小于用水需求時(shí)壓力下降，當(dāng)兩者相等時(shí)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(lái) 作為控

20、制流量大小的參變量。當(dāng)供水系統(tǒng)中某處壓力恒定時(shí)，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(diǎn)： 1) 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電 20%-40%，能實(shí)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(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。 4) 運(yùn)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(jī)軸上的 平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi)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(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)約了人力物力。 第三章第三章 恒壓供水系統(tǒng)

21、元件選擇恒壓供水系統(tǒng)元件選擇 3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成 3.1.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)變頻恒壓供水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 變頻恒壓供水系統(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(jī)組等組成，如圖 3.1 所示。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用 plc 控制單 元使變頻器控制一臺(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電 機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。 上位 計(jì)算機(jī) 外部 控制 電接點(diǎn) 壓力表 管 道 機(jī) 組 變 頻 器 電 器 組 p l c 水池 液位 開(kāi)關(guān) a/dd/a 用用 戶戶 變頻器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 模

22、擬量信號(hào) 標(biāo) 準(zhǔn) 電 信 號(hào) 開(kāi) 關(guān) 量 信 號(hào) 變頻器故障及頻率到達(dá)信號(hào) 內(nèi)置 pid 圖 3.1 系統(tǒng)硬件原理圖 系統(tǒng)可分為:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為: 1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu):執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由三臺(tái)水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。 2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu):在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括水壓信號(hào)、液 位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。水壓信號(hào)反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制 的主要反饋信號(hào)。此信號(hào)是模擬信號(hào)，讀入 plc 時(shí)，需進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換。另外為 加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢 測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 plc，作為數(shù)字量輸入;液位信號(hào)反

23、映水泵的進(jìn)水水源是 否充足。信號(hào)有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對(duì)系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損 壞電機(jī)和水泵。此信號(hào)來(lái)自在安裝于水源處的液位傳感器;報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是 否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 3) 控制機(jī)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(gè)部分。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控 制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集， 對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行 機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制;變頻 器是對(duì)水泵

24、進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速 泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 3.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng) 的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式 即變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50hz時(shí)，其供水量仍 不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫 出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)；變頻固定式是變 頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50hz時(shí)，其供水量仍不能 達(dá)到用水要

25、求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺(tái)恒速水泵，變頻器 不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇2。本設(shè)計(jì)中采用變 頻循環(huán)式，下面重點(diǎn)介紹其控制特點(diǎn)： 利用變頻循環(huán)式單臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系 統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進(jìn)的一種方案。下面以單臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)水泵的方 案來(lái)說(shuō)明。該控制方案的控制原理如圖3.2所示。 1 32 4 1號(hào)泵變頻運(yùn)行 2號(hào)泵停止 1號(hào)泵工頻運(yùn)行 2號(hào)泵變頻運(yùn)行 1號(hào)泵停止 2號(hào)泵變頻運(yùn)行 1號(hào)泵變頻運(yùn)行 2號(hào)泵工頻運(yùn)行 圖3.2 控制原理框圖 控制系統(tǒng)的工作原理如下:根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制兩臺(tái)水泵 按12341的順序運(yùn)行，

26、以保證正常供水。開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多， 只有1號(hào)泵在變頻器控制下運(yùn)行，2號(hào)泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng) 用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加 到最高輸出頻率時(shí)，表示只有一臺(tái)水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)， 通過(guò)控制系統(tǒng)，1號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng) 2號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。 當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過(guò)后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定 頻率時(shí)，表示只有一臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系 統(tǒng)，可將1號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，2號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時(shí)控制系統(tǒng)處于 狀態(tài)3。 當(dāng)用水量再次

27、增加，變頻器輸出頻率增加，則2號(hào)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng) 變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有一臺(tái)水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的 要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，2號(hào)泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源， 而變頻器電源啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4 時(shí)，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定 頻率時(shí)，表示只有一臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系 統(tǒng)的控制，可將 2 號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，1 號(hào)泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時(shí)，控制系 統(tǒng)又回到了狀態(tài) 1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要。 3.1.3 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù)基于 plc

28、 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 3.3 所示： a/d模塊可編程控制器(plc)通訊模塊 壓力 變送器 故障、狀態(tài) 等量輸入 報(bào)警、控制 等量輸出 人機(jī)界面 上位機(jī)、 組態(tài)等 變頻器 水泵機(jī)組 軟啟動(dòng)、自 耦變壓器 圖 3.3 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部： (1) plc 及其擴(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機(jī)組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設(shè)備選型如表 3.1 所示： 表 3.1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（plc） siemens cpu 226 模擬

29、量擴(kuò)展模塊 siemens em 235 變頻器富士公司的 p11s 系列 水泵機(jī)組sfl 系列水泵 3 臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有 限公司） 壓力變送器及顯示儀表hr-ytz 電阻遠(yuǎn)傳壓力表 液位變送器分體式液位變送器 ds26(淄博丹佛斯 公司) 3.2 plc 及其擴(kuò)展模塊的選型及其擴(kuò)展模塊的選型 plc 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對(duì)系統(tǒng)中所有輸入號(hào) 的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對(duì)外的數(shù)據(jù)交換。因此我們?cè)?選擇 plc 時(shí)，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(dòng)控

30、制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此 plc 選用德國(guó) siemens 公司的 s7- 200 型。s7-200 型 plc 的結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，具有較高的性價(jià)比，廣泛適用 于一些小型控制系統(tǒng)。siemens 公司的 plc 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有 較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；plc 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對(duì)自 動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。plc 和上位機(jī)的通信采用 pc/ppi 電纜，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 接口(ppi)協(xié)議，pc/ppi 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) plc 的通信接口 rs485 到 pc 機(jī)的通 信接口 rs232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級(jí)口令保護(hù)，可以對(duì)程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù)3。 根據(jù)控制

31、系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 plc 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量， 因此選用的 s7-200 型 plc 的主模塊為 cpu226，其開(kāi)關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形 式為 ac220v 繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入 cpu226 為 24 點(diǎn)，輸入形式為+24v 直流 輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個(gè)，模擬量輸出點(diǎn) 1 個(gè)，所以需要擴(kuò)展， 擴(kuò)展模塊選擇的是 em235，該模塊有 4 個(gè)模擬輸入(aiw)，1 個(gè)模擬輸出(aqw)信 號(hào)通道。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 a/d 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能 夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 d/a 的轉(zhuǎn)換，

32、一個(gè)字長(zhǎng)(16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。em235 模塊可 以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò) dip 開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 3.3 變頻器的介紹變頻器的介紹 3.3.1 選擇變頻器規(guī)格選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù)，但實(shí)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(shí)踐中可能 會(huì)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(dòng)機(jī)額定電流時(shí)使用，比如電動(dòng)機(jī)型號(hào)還沒(méi)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(shí)可以放大

33、一級(jí)估算，例如，90kw 電動(dòng)機(jī)可以選擇 110kw 變頻器。在需要按照過(guò)載能力選擇是，可以放大一倍來(lái)估算，例如， 90kw 電動(dòng)機(jī)可以選擇 185kw 變頻器。 2.按照電動(dòng)機(jī)額定電流選擇 對(duì)于多數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載新設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以按照這個(gè)方式選擇變頻器規(guī)格： ievfk1ied (3-1) 式中，ievf 是變頻器額定電流；ied是電動(dòng)機(jī)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 1.051.15，一般情況可取小值，在電動(dòng)機(jī)持續(xù)負(fù)載 率超過(guò) 80%時(shí)，則應(yīng)該取大值，因?yàn)槎鄶?shù)變頻器的額定電流都是以持續(xù)負(fù)載率 不超過(guò) 80%來(lái)確定的。另外，啟動(dòng)停止頻繁的時(shí)候也應(yīng)該考慮取大值，這是因 為啟

34、動(dòng)過(guò)程以及有制動(dòng)電路的停止過(guò)程電流會(huì)短時(shí)超過(guò)額定電流，頻繁啟動(dòng)停 止則相當(dāng)于增加了負(fù)載率。 3.按照電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流選擇 這個(gè)方式用于改造工程，對(duì)于原來(lái)電動(dòng)機(jī)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： ievfk2id (3-2) 式中，k2 是電流裕量系數(shù)，考慮到測(cè)量誤差，可取 k2=1.11.2，在頻繁 啟動(dòng)停止時(shí)應(yīng)該取大值；id 是電動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)行電流，指的是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流，不 包括啟動(dòng)、停止和負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)電流，實(shí)測(cè)時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同工況作多次測(cè)量， 取其中最大值。 4.按照轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力選擇 變頻器的電流過(guò)載能力通常比電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力低，因此，按照常規(guī) 配備變頻

35、器時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)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(yùn)行，因此，平均加速度并不低于直接啟動(dòng)的情 況，一般應(yīng)用中沒(méi)有什么問(wèn)題。 通過(guò)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(jī)泵用標(biāo)準(zhǔn)系列，采用高性能和多功能的理想結(jié)合動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制， 能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的最佳控制。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進(jìn) 的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)4。 3.3.2 開(kāi)關(guān)指令信號(hào)的輸入開(kāi)關(guān)指令信號(hào)的輸入 變頻器的輸入信號(hào)中包括對(duì)運(yùn)行、停止，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、微動(dòng)等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn) 行操作的開(kāi)關(guān)型指令信號(hào)(數(shù)字輸入信號(hào))。變頻器通常利用繼電器接點(diǎn)或具有 繼電器接點(diǎn)開(kāi)

36、關(guān)特性的元器件(如晶體管)與 plc 連接，獲取運(yùn)行狀態(tài)指令。使 用繼電器接點(diǎn)時(shí)，常因接觸不良而帶來(lái)誤動(dòng)作;使用晶體管進(jìn)行連接時(shí)，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(hào)電路時(shí)還應(yīng)該注意到，當(dāng)輸入信號(hào)電路連接不當(dāng)時(shí)有時(shí)會(huì)造成變頻 器的誤動(dòng)作。如當(dāng)輸入信號(hào)電路采用繼電器等感性負(fù)載，繼電器開(kāi)閉時(shí)產(chǎn)生的 浪涌電流帶來(lái)的噪聲有可能引起變頻器的誤動(dòng)作，應(yīng)該盡量避免，這時(shí)可以考 慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。 3.3.3 變頻器與變頻器與 plc 的連接的連接 vvvf r s t u v w m y2 y1 cme y5c x1 fwd 12 cm

37、頻率到達(dá)50hz 頻率到達(dá)5hz 11 y5a qf km ka3 ka4 24v fr 圖 3.4 變頻器 圖 3.5 變頻器與 plc 的連接 變頻器與 plc 的連接如圖 3.5 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(jī)水泵，如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向不對(duì)， 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(hào)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(hào)，以此來(lái)設(shè)定頻率； fwd 端子為正轉(zhuǎn)運(yùn)行/停止命令端子，端子 fwd-cm 間：閉合

38、（on） ，正轉(zhuǎn)運(yùn)行； 斷開(kāi)（off） ，減速停止，此端子有 plc 輸出點(diǎn)控制；接點(diǎn)輸入公共端 cm 為接點(diǎn) 輸入信號(hào)的公共端子；x1 為選擇輸入 1 端子，作為報(bào)警復(fù)位命令信號(hào)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(bào)警端子； 晶體管輸出公共端 cme，為晶體管輸出信號(hào)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(hào)輸出繼電器端子 y5a,y5c,為變頻器報(bào)警輸出端子5。 3.4 傳感器傳感器 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(cè) 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(cè)壓力平衡的液柱 測(cè)

39、壓法，有根據(jù)彈性原件受力變形的測(cè)壓法，也有將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成各種電量 的電測(cè)法等。 在壓力測(cè)量中，常有絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。絕對(duì)壓力 是指被測(cè)介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用 pa 表示。用來(lái)測(cè)量絕對(duì)壓力的 儀表稱為絕對(duì)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(lái)測(cè)量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對(duì)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(cè)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(cè)量的值稱為表壓力。顯然當(dāng)絕對(duì)壓力值 pa 小于大氣壓力值 p0 時(shí)，表壓力為負(fù)值，所測(cè)值稱為負(fù)壓

40、力或稱真空壓，它的絕對(duì)值稱為真空度。 壓力在國(guó)際單位制中的單位是牛頓/平方米，通常稱為帕斯卡或簡(jiǎn)稱帕(pa)，工 業(yè)上常采用千帕(kpa)或兆帕(mpa)作為壓力的單位6。 設(shè)計(jì)中需要測(cè)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(hào)送到控制器。青島奧斯特技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司的 hr-ytz 電阻 遠(yuǎn)傳壓力表，如圖 3.5 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 3.6 遠(yuǎn)傳壓力表 用途說(shuō)明： 電阻遠(yuǎn)傳壓力表適用于測(cè)量對(duì)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?yàn)樵趦x表內(nèi)部設(shè)置一滑線

41、電阻式發(fā)送器，故可把被測(cè)值以 電量值傳至遠(yuǎn)離點(diǎn)的二次儀表上，以實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)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(chǎng)工藝檢查。 主要技術(shù)要求： 精確度等級(jí)：1.6 發(fā)送器起始電阻值：320 發(fā)送器滿度電阻值：340400 第四章第四章 恒壓供水系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 4.1 所示：三臺(tái)電機(jī)分別為 m1、m2、m3，它們分別帶動(dòng)水泵 1#、2#、3#。接觸器 km1、km3、km5 分別控制 m1、m2、m3 的工頻運(yùn)行；接觸器 km2、km4、km6 分別控制 m1、m2、

42、m3 的變頻 運(yùn)行；fr1、fr2、fr3 分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器； qs1、qs2、qs3、qs4 分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；fu 為主 電路的熔斷器。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1 臺(tái)水泵在變頻器 控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如 果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能” ，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變 頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。 n l1 l2 l3 fu 變頻器 qs1 r s t u v w qs

43、2 km2 fr1 km1 m1 3 km3 m2 3 km5 m3 3 km4 fr2 qs3qs4 km6 fr3 圖 4.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的 r、s、t 端，變頻器的輸 出端 u、v、w 通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器 的隔離開(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開(kāi)關(guān)。 主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載 保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 fr 實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。而且變 頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接 通工頻

44、回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)， 也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 km1 和 km2、km3 和 km4、km5 和 km6 絕對(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互 鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過(guò)電流互感器和變送 器將 420ma 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。同時(shí)可以通過(guò)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接電壓表 顯示線電壓。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。初 始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改 變電源的相序來(lái)獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi) 主電路(如

45、直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，而必須通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟 停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。 4.2 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 plc，控制電路的合理性，程序的可 靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門(mén)子公司 s7-200 系列 plc，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。 plc 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自 動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵 在

46、啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng) 急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 如圖 4.2 為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 sa 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，sa 打在 1 的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用 按鈕 sb1sb6 控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 plc 程序控制下運(yùn)行。 圖中的 hl10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供 一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)中間繼電器 ka 的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控 制。圖中的 q0.0q0.5 及 q1.1q1.5 為 plc 的輸出繼

47、電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 4、6、8 等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖 4.3 一起讀圖。 sb1 km1 sb2 q0.0 q0.1 km2 km1 km1 km2 hl1 hl2 fr1 sb5 km5 sb6 q0.4 q0.5 km6 km5 km5 km6 hl5 hl6 fr3 sb3 km3 sb4 q0.2 q0.3 km4 km3 km3 km4 hl3 hl4 fr2 plc n l1 fu2 sa 1 2 q1.1 hl7 q1.3 hl9 q1.2 hl8 hl10 q1.4 q1.5 ka ha n1 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 圖 4.2

48、 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注：plc 各 i/o 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) i/o 端口分配中將詳細(xì)介紹。 本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下： (1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的 檢測(cè)與維修。單刀雙擲開(kāi)關(guān) sa 打至 1 端時(shí)開(kāi)啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過(guò)開(kāi) 關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。sb1 按下時(shí)由于 km2 常閉觸 點(diǎn)接通電路使得 km1 的線圈得電，km1 的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電 機(jī) m1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng) sb2 按下時(shí)才會(huì)切斷電路，km1 線圈失 電，電機(jī) m1 停止運(yùn)行。同理，可以通過(guò)按

49、下 sb3、sb5 啟動(dòng)電機(jī) m2、m3，通過(guò) 按下 sb4、sb6 來(lái)使電機(jī) m2、m3 停機(jī)。 （2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。單刀 雙擲開(kāi)關(guān) sa 打至 2 端時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由 plc 程序控 制。q0.0 輸出 1#水泵工頻運(yùn)行信號(hào)，q0.1 輸出 1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) q0.0 輸出 1 時(shí)，km1 線圈得電，1#水泵工頻運(yùn)行指示燈 hl1 點(diǎn)亮，同時(shí) km1 的常閉 觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn) km1、km2 的電氣互鎖。當(dāng) q0.1 輸出 1 時(shí)，km2 線圈得電，1# 水泵變頻運(yùn)行指示燈 hl2 點(diǎn)亮，同時(shí) km2 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，

50、實(shí)現(xiàn) km2、km1 的電 氣互鎖。同理，2#、3#水泵的控制原理也是如此。當(dāng) q1.1 輸出 1 時(shí)，水池水位 上下限報(bào)警指示燈 hl7 點(diǎn)亮；當(dāng) q1.2 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 hl8 點(diǎn) 亮；當(dāng) q1.3 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 hl9 點(diǎn)亮；當(dāng) q1.4 輸出 1 時(shí)，報(bào) 警電鈴 ha 響起；當(dāng) q1.5 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 ka 的線圈得電，常開(kāi)觸點(diǎn) ka 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 hl10 一直點(diǎn)亮7。 4.3 plc 的的 i/o 端口分配及外圍接線圖端口分配及外圍接線圖 基于 plc 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)

51、計(jì)的基本要求如下： (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供 水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天小區(qū)的用水量大，系統(tǒng) 高恒壓值運(yùn)行；夜間小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 3h，則要切換 下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能” ，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。倒泵只 用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原 則。 (4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制 功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。 (5) 系

52、統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào) 如表 4.1 所示。 表 4.1 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào) 名 稱代 碼地址編號(hào) 供水模式信號(hào)(1-白天，0-夜間) sa1i0.0 水池水位上下限信號(hào) slhli0.1 變頻器報(bào)警信號(hào) sui0.2 試燈按鈕 sb7i0.3 輸 入 信 號(hào) 壓力變送器輸出模擬量電壓值 upaiw0 1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km1、hl1 q0.0 1#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km2、hl2 q0.1 2#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km3、hl3 q0.2 2#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km4、hl4 q0.3 3#泵工

53、頻運(yùn)行接觸器及指示燈km5、hl5 q0.4 輸 出 信 號(hào) 3#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km6、hl6 q0.5 水池水位上下限報(bào)警指示燈 hl7q1.1 變頻器故障報(bào)警指示燈 hl8q1.2 白天模式運(yùn)行指示燈 hl9q1.3 報(bào)警電鈴 haq1.4 變頻器頻率復(fù)位控制 kaq1.5 輸 出 信 號(hào) 變頻器輸入電壓信號(hào) ufaqw0 結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖 4.2 和 plc 的 i/o 端口分配表 4.1，畫(huà)出 plc 及擴(kuò)展 模塊外圍接線圖，如圖 4.3 所示： 1m 0.0 0.1 1.0 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2

54、.1 2.0 1.7 1.6 2m 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1l 0.0 l+ m 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 3l 1.0 0.7 0.6 0.5 2l 0.4 0.3 0.2 0.1 地 1.7 1.6 l1 n 。 ac 。 cpu 226 cn 2rs485 m v0 m0 地 l+ ra a+ i0b- b+ rb a- d- d+ rd c- c+ rc 偏移 配置 增益 em235 i0i1i2 q0q1 sa1 窗口 比較器 液位 變送器 水位上下 限信號(hào) su slhl sb7 4 6 8 1012 1424222018162n1 壓力變送器輸 出

55、壓力信號(hào) 輸入變頻器 圖 4.3 plc 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括 4 個(gè)數(shù)字量和 1 個(gè)模擬量。 壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入 plc 的擴(kuò)展模塊 em235 的模擬量輸入端口作 為模擬量輸入；開(kāi)關(guān) sa1 用來(lái)控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān) 量輸入 i0.0；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較 器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸 出高電平 1，送入 i0.1；變頻器的故障輸出端與 plc 的 i0.2 相連，作為變頻器 故障報(bào)警信號(hào)；開(kāi)關(guān) sb7 與 i0.3 相連作為試燈信號(hào)，用

56、于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是 否正常工作。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和 1 個(gè)模擬量輸出信號(hào)。 q0.0q0.5 分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；q1.1 輸出水位超限報(bào) 警信號(hào)；q1.2 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；q1.3 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；q1.4 輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；q1.5 輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)；aqw0 輸出的模擬信號(hào)用于 控制變頻器的輸出頻率。 圖 4.3 只是簡(jiǎn)單的表明 plc 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義 上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面 的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)

57、措施等。 4.4 plc 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì) plc 控制程序采用 siemens 公司提供的 step 7-microwin-v40 編程軟件開(kāi) 發(fā)。該軟件的 simatic 指令集包含三種語(yǔ)言，即語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言、梯形圖(lad)語(yǔ) 言、功能塊圖(fwd)語(yǔ)言8。語(yǔ)句表(stl)語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別 適合于來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面 向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。梯形圖(lad)語(yǔ)言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣 控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看 作是 plc 的高級(jí)語(yǔ)言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件

58、邏輯，因此， 它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程 工具。功能塊圖(fwd)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè) 模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn) 算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。 plc 控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完 成，編譯后通過(guò) pc/ppi 電纜把程序下載到 plc，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)在 run 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 4.4.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) plc 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)

59、變頻/工 頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計(jì)算程序和報(bào)警程 序等構(gòu)成。 (1)系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí) 候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)變 頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、pid 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的 初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通 過(guò)調(diào)用子程序來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下 的水壓給定值以及變頻泵泵號(hào)和工頻泵投入臺(tái)數(shù)。 (2)增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當(dāng) pid 調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于

60、等于變頻運(yùn)行下限頻 率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí) 5min（以便消除水壓波動(dòng)的干擾）后執(zhí)行 工頻泵臺(tái)數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。 (3) 水泵的軟啟動(dòng)程序 增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生 當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。 當(dāng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，對(duì)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行判斷，超過(guò) 3h 則自 動(dòng)倒泵變頻運(yùn)行。 (4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。 當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生 1#泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)并且系統(tǒng)無(wú)故障產(chǎn)生、 未產(chǎn)