恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告題目：恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)學(xué)生 周延學(xué)號(hào) 20071067屆2011班級(jí) 電氣07-2指導(dǎo)教師 順?lè)鍖?zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化1. 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)文本材料包括設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)三部分，其中 任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)由教師完成。按設(shè)計(jì)報(bào)告、任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)順序 裝訂成冊(cè)。2. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書(shū)、指導(dǎo)書(shū)完成專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)工作，合 作完成的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，要在設(shè)計(jì)報(bào)告概述中明確說(shuō)明分工。3. 設(shè)計(jì)報(bào)告容建議主要包括：設(shè)計(jì)概述、設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方案分析、 軟硬件具體設(shè)計(jì)、調(diào)試分析、總結(jié)以及參考資料等容，不同類(lèi)型的 設(shè)計(jì)可有所區(qū)別。4. 設(shè)計(jì)報(bào)告字?jǐn)?shù)應(yīng)在3000-4000字

2、，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)應(yīng)采用電子繪圖、且 符合相應(yīng)國(guó)標(biāo)，文字規(guī)借鑒參考畢業(yè)設(shè)計(jì)要求。5. 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)由平時(shí)成績(jī)（50%、報(bào)告成績(jī)（30%和答辯成績(jī)（20% 組成。專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)給出適當(dāng)?shù)脑u(píng)語(yǔ)。專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)及成績(jī)匯總表成績(jī)平時(shí)成績(jī)報(bào)告成績(jī)答辯成績(jī)總評(píng)成績(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)目錄第一章緒論 11.1緒論 11.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 31.3本課題的主要研究容 4第二章系統(tǒng)的理論分析及控制方案的確定 52.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 52.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論方案的確定 5第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 73.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 73.2系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 93.3 PLC 的I/O端口分配及外圍接線圖 1

3、0第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)134.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分析 134.2 PLC 程序設(shè)計(jì) 15第一章 緒論1.1 緒論隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步， 城市建筑的供水問(wèn)題日益突出， 一方面要求提高供 水質(zhì)量，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌?dòng)造成供水障礙； 另一方面要求供水的可靠性和安全 性，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠可靠供水。 針對(duì)這兩方面的要求， 新的供水方式和控制系 統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，這就是PLC控制的恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)。恒壓供水包括生活用水的恒 壓控制和消防用水的恒壓控制即雙恒壓系統(tǒng)。 恒壓供水保證了供水的質(zhì)量， 以 PLC為主機(jī)的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的供水方式有：恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位

4、水箱供水、液 力耦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)的反應(yīng)， 水泵的增 減都依賴(lài)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) 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，而且為減少水泵起動(dòng)次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致

5、使水泵在低效段工作。(3) 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。(4) 液力耦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 4 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)

6、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)中的 用水。目前的供水方式朝向高效節(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?；赑LC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)

7、、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。下面是一個(gè)四泵生活/消防的雙恒壓無(wú)塔供水系統(tǒng)。如圖1所示，市網(wǎng)來(lái)水 用高低水位控制器EQ來(lái)控制注水閥MB1它們自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水池，只要水位 低于高水位，則自動(dòng)往水箱中注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC,作為 低水位報(bào)警用。為了保證供水的連續(xù)性水位上下限傳感器高低距離不是相差太 大。生活用水和消防用水公用四臺(tái)泵， 電磁閥MB2平時(shí)處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消

8、防 管網(wǎng)，四臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定邏輯控制運(yùn)行，使生活用水在恒壓狀 態(tài)（生活用水低恒壓值）下進(jìn)行；當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥 MB2得電，關(guān)閉生活 用水管網(wǎng)，四臺(tái)泵供消防用水使用，并根據(jù)用水量的大小，使消防供水也在恒壓 狀態(tài)（消防用水高恒壓值）下進(jìn)行?；馂?zāi)結(jié)束后，四臺(tái)泵在改為生活供水使用。圖1.1生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)工藝流程圖對(duì)四泵生活 / 消防雙恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)在低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)在高恒壓值 運(yùn)行；（2）四臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開(kāi)先?！钡脑瓌t接入和退出；（3）在用水量小的情況下，如果一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)三小時(shí)，則要切 換到下一臺(tái)泵

9、，即系統(tǒng)具有“倒泵功能” ，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過(guò) 長(zhǎng)；（4）四臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)要具有軟啟動(dòng)功能；（5）要有完善的報(bào)警功能；（6）對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)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(lái)的。 在早期，由于 國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、 升降速控制、 正反轉(zhuǎn)控制、 起動(dòng) 控制以及制動(dòng)控制、壓頻比控制以及各種保護(hù)功能。 應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中， 變頻器僅作為執(zhí)行， 為了滿足供水量大小需求不同時(shí)， 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傳感器， 對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。 隨著變頻技術(shù)

10、 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(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以 及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后， 國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并 推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco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(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)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(gè)置的 電磁接觸器工作， 可構(gòu)成最多 7 臺(tái)電機(jī)（泵）的供水系統(tǒng)。這類(lèi)設(shè)備雖微化了電路 結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本， 但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性

11、， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能 和穩(wěn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并 且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其圍將會(huì)受到限制3 。目前國(guó)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程， 大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速， 水管管 網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)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(shí)現(xiàn)；有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。 但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、 穩(wěn)定性能、 抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)， 還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到 所有用戶的要求。原華為電氣公司和希望集團(tuán)也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器 （5.5kw22kw），無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最

12、多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、 定時(shí)起、停和定時(shí)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 頻器部實(shí)現(xiàn)， 但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量， 同時(shí)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(chǎng)所。可以看出，目前在國(guó) 外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中， 對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合， 結(jié)合 現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)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(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(shí)踐。1.3 本課題的主要研究容本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對(duì)象， 采用PLC和變頻

13、技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設(shè) 計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)， 保證了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠， 安全節(jié)能， 獲得最佳 的運(yùn)行工況。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和 現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有4 個(gè)貯水池， 4臺(tái)水泵，水泵的啟停。它的設(shè)計(jì)要求：（ 1）根據(jù)主管道給出的壓力信號(hào)決定水 泵的啟停，當(dāng)壓力低于正常壓力時(shí)啟動(dòng)一個(gè)水泵，10s 后仍低，則啟動(dòng)下一臺(tái)；當(dāng)壓力高于正常壓力時(shí)。切斷一臺(tái)水泵， 10s 后高壓信號(hào)仍存在，切斷下一臺(tái)。 （2 ）恒壓供水系統(tǒng)主要是由 4個(gè)水泵完成對(duì)主管道供水壓力的維持， 考慮到電 機(jī)的保護(hù)，要求 4臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間和頻率盡可

14、能一致。 也就是說(shuō)，需要接通時(shí)， 首先啟動(dòng)停止時(shí)間最長(zhǎng)的那臺(tái)，而需要切斷時(shí)則先停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間最長(zhǎng)的那臺(tái)。根據(jù)以上控制要求，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備選型、PLC選型， 估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)行 I/O 模塊選型， 繪制系統(tǒng)硬件連接圖： 包括系統(tǒng)硬件配 置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O 點(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì) 梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。第二章系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為：60 fn (1s)(2.1)P式中：f表示電源頻率，p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知

15、，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：(1) 改變電源頻率(2) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單， 投資省，節(jié)能效果顯著，效率高， 但需要專(zhuān)門(mén)的變極電機(jī)，是有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大， 轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其 較大的調(diào)速?lài)话悴捎么?jí)調(diào)速的方式， 其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié) 能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過(guò)于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗， 且成本高而影響它的推廣價(jià)值。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻 率f

16、成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一 地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn) 了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng) 用。2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以 及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓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)的軟起動(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)行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，有以下幾種方案可供選擇：(1) 有供水基板的變頻器 +水泵機(jī)組

17、 +壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在 變頻器供水基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和 PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖 然微化了電路結(jié)構(gòu)， 降低了設(shè)備成本， 但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比 較麻煩，無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu) 困難，調(diào)節(jié)圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏 靈活性，數(shù)據(jù)通信困難， 并且限制了帶負(fù)載的容量， 因此僅適用于要求不高的小 容量場(chǎng)合。(2) 通用變頻器 +單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)

18、整方便，具有較高的性?xún)r(jià)比，但開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的靈活性差，同時(shí) 變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須 采取相應(yīng)的抗干擾措施來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性。 該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容 量的變頻恒壓供水中。(3) 通用變頻器+PLC包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+ 壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。 具有良好的通信接口， 可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性強(qiáng)；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種 規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外 部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便

19、地通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便。同時(shí)由于 PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng) 的可靠性大大提高。 該系統(tǒng)能適用于各類(lèi)不同要求的恒壓供水場(chǎng)合， 并且與供水 機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。通過(guò)對(duì)以上這幾種方案的比較和分析， 可以看出第三種控制方案更適合于本 系統(tǒng)。這種控制方案既有擴(kuò)展功能靈活方便、 便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)， 又能達(dá)到系 統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于PLC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3.1所示:t”，XXA/D模塊可編程控制器（PLC）通訊模塊變頻器故障、狀態(tài) 等量輸入報(bào)警、控制 等量輸岀軟啟動(dòng)、

20、自 耦變壓器上位機(jī)、組態(tài)等壓力 變送器人機(jī)界面水泵機(jī)組圖3.1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)包括以下幾部分：（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。3.1.1 PLC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)谶x擇 PLC時(shí)，要考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、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)控制 系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此

21、 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?xún)r(jià)比，廣泛適用于一些小型控制系 統(tǒng)。SIEMENS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。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，系統(tǒng)共需要有開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)6個(gè)、開(kāi)關(guān)量 輸出點(diǎn)12個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)、模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)。如果選用CPU224 PLC, 也需要擴(kuò)展單元；如果選用 CPU226PLC則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大。參照西門(mén)子S7-200 PLC產(chǎn)品目錄及市場(chǎng)目錄及市場(chǎng)實(shí)際價(jià)格，選用主機(jī)為 CPU 222（8入/ 繼電器

22、輸出）一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊 EM222（8點(diǎn)繼電器輸出），在擴(kuò)展一個(gè)模 擬量模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。整個(gè)PLC系統(tǒng)的配置如圖2 所示，3.1.2變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行的硬件，通過(guò)頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。變頻器的選擇必須根據(jù)水泵電機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。 根據(jù) 控制功能不同，通用變頻器可分為三種類(lèi)型：普通功能型U/f控制變頻器、具有 轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。 供水系 統(tǒng)屬泵類(lèi)負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的 U/f控制變頻器。由于本設(shè)計(jì)中PLC選擇的西門(mén)子S7-200型號(hào)

23、，為了方便PLC和變頻器之間 的通信，我們選擇西門(mén)子的 MicroMaster440變頻器。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī) 調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙極型晶體管作為功率輸出器件， 具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。3.2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 2所示：四臺(tái)電機(jī)分別為 M1 M2 M3 M4它們分別帶動(dòng)水泵 1#、2#、3#、4#。接觸器 KM1 KM3 KM5 KM7 分別控制M1 M2 M3 M4的工頻運(yùn)行；接觸器 KM2 KM4 KM6 KM8分別控制 Ml M2 M3 M4的變頻運(yùn)行；BB1 BB2 BB3 BB4分別為四臺(tái)水泵電機(jī)過(guò)載保

24、 護(hù)用的熱繼電器；FU為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)米用四泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即4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)間只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但 不同時(shí)間段四臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2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

25、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 KM7和KM8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 4-20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。同時(shí)可

26、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。3.3 PLC 的 I/O 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)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)

27、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) 四臺(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) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。所以有控制系統(tǒng)的輸入/輸出信號(hào)的名稱(chēng)、代碼及地址編號(hào)

28、如表1所列。水位上下限信號(hào)分別為10.1、10.2。它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0,露出時(shí)為1。名稱(chēng)代碼地址標(biāo)號(hào)輸入信號(hào)消防信號(hào)SF0I0.0水池水位下限信號(hào)BGI0.1水池水位上限信號(hào)BGI0.2變頻器報(bào)警信號(hào)KFUI0.3消鈴按鈕SF9I0.4試燈按鈕SF10I0.5遠(yuǎn)程壓力表模擬量電壓值UPAIW0輸出信號(hào)1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA1,PG1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA2,PG2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA3,PG3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA4,PG4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA5,PG5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA6,PG6Q0.

29、54#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA7,PG7Q0.64#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈QA8,PG8Q0.7生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥MB2Q1.0水池水位下限報(bào)警指示燈PG7Q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈PG8Q1.2火災(zāi)報(bào)警指示燈PG9Q1.3報(bào)警電鈴PBQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KFQ1.5控制變頻器頻率電壓信號(hào)VFAQW0PLC的I/O端口分配表3.2，畫(huà)出PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，如圖3.3所示:圖3.3恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接確定之后， 系統(tǒng)的控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)， 結(jié)合泵站的控制要 求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下：(

30、1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓， 在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率， 且在一臺(tái)水泵工作 不能滿足恒壓要求時(shí)， 需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。 判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的 輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。 這一功能可通過(guò)比較指令實(shí)現(xiàn)。 為了判斷變頻器工 作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性， 應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況， 在 程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。(2) 多泵組泵站泵組管理規(guī) 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)， 又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交 替使用， 多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)。 在本設(shè)計(jì)中， 控制要求中規(guī)定任 一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò) 3h,因此每次需啟動(dòng)新水泵

31、或切換變頻泵時(shí)，以 新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。 具體的操作是： 將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切 除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵 組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制， 本設(shè)計(jì)中使用泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn) 變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。本程序分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。邏輯運(yùn)算及報(bào)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)省掃買(mǎi)哦時(shí)間。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn) PID控制的定時(shí) 采樣及輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%在本系統(tǒng)中，

32、只是用比例(P)和積分(I)控制，其回路增 益和時(shí)間常數(shù)可通過(guò)工程計(jì)算初步確定， 但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效 果。增益 Kc=0.25;采樣時(shí)間 TS=0.2S；積分時(shí)間 Ti =30min。程序中使用的PLC元器件及其功能如下表所列程序中使用的元器件及功能器件地址功能器件地址功能VD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動(dòng)脈沖VD116采樣時(shí)間M0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD120積分時(shí)間M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖VD124微分時(shí)間M0.5當(dāng)前泵工

33、頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD204變頻器運(yùn)行頻率下限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208生活供水變頻器運(yùn)行頻率上限值M2.0泵工頻/變頻裝換邏輯控制VD212消防供水變頻器運(yùn)行頻率上限值M2.1泵工頻/變頻裝換邏輯控制VD250PI調(diào)節(jié)存儲(chǔ)單元M2.2泵工頻/變頻裝換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號(hào)M3.0故障信號(hào)匯總VB301工頻運(yùn)行的泵的總臺(tái)數(shù)M3.1水池水位下限故障邏輯VD310倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T33工頻/變頻裝換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.4火災(zāi)消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制4.2 PLC程序設(shè)計(jì)雙恒壓供水系統(tǒng)的梯形圖主程序及程序注釋如下圖所示:世7二幅M2盤(pán)証aao 1I 53U10 1聲I心iMT 1GJ1CUT耳QMS 12JK 1T341:OFI n7 JFTIO mi!Hft 13*主蘭錄二廠弓古AH三卑IQl 5T IIHi()(OL4O.朽2II T購(gòu)絡(luò)IS1A2.2I I：丁朋PT100T35SC-wse is