變頻供水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、變頻供水遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量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)效率以及人們的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)是針對(duì)居民生活用水/消防用水而設(shè)計(jì)，采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，再經(jīng)過PID運(yùn)算，通過PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。論文論述了采用多泵供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各種供水狀態(tài)及轉(zhuǎn)換條件，

2、分析了電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行方式的切換過程及存在的問題，給出了實(shí)現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換控制的電氣設(shè)計(jì)方案和PLC控制程序設(shè)計(jì)方案。變頻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，保證了供水的質(zhì)量，以變頻器為主機(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。因此,采用PLC和變頻器為核心部件構(gòu)成的變頻恒壓供水系統(tǒng), 具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益, 有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；PID控制；恒壓供水；MCGSFrequency of water supply remote control system designAbstractFrequency control wa

3、ter supply system can improve the stability and reliability of water supply systems, easily achieve the centralized management and monitoring of the water supply system.at the same time the system has good energy efficiency.This is particularly important in the increasing scarcity of energy today. s

4、o the study design of the system has important practical significance for improving business efficiency and people's living standards,and at the same time reducing energy consumption. The design is designed for the living water / fire water, the frequency control water supply system with PLC con

5、trol, logic control by the PLC, pressure regulation by the inverter, and then after the PID operation. Frequency switching frequency and work through the PLC control to achieve closed-loop automatic adjustment of the constant pressure water supply. The experimental results show that the system has t

6、he advantages of stable pressure, simple structure, reliable work. the paper discusses the rationality for multi-pumps water supply program, a variety of water supply status of the multi-pumps water supply and conversion conditions. analysis of the changing of motor by the inverter frequency operati

7、on mode switching process and the problems are given effective state cyclic change of control of the electrical design and PLC control program design.The constant pressure water supply, including the constant voltage control of the domestic water and fire water of constant voltage control, to ensure

8、 the quality of the water supply, the inverter for the host control system to enrich the system's control function to increase the reliability of the system.Therefore, PLC and inverter composed of the core components of the constant pressure water supply system, with good technical and economic

9、benefits, have broad application prospects and promotional value.Keywords: PLC; variable frequency speed control; PID control; constant pressure water; MCGS 目錄摘要.IAbstractII目錄III插圖清單V表格清單VI引言 VII第1章 緒論.- 1 -1.1課題研究背景和意義- 1 -1.2變頻恒壓供水的系統(tǒng)特點(diǎn)及安全性討論- 1 -1.3本課題設(shè)計(jì)任務(wù)及要求- 2 -第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)- 3 -2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制要求-

10、 3 -2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖- 3 -2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程- 6 -2.4水泵切換條件分析- 6 -第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)- 7 -3.1系統(tǒng)的硬件選型- 7 -3.1.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型- 7 -3.1.2 變頻器的選型- 8 -3.1.3 水泵機(jī)組的選型- 8 -3.1.4 壓力變送器的選型- 8 -3.1.5 液位變送器的選型- 9 -3.2 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配- 9 -3.3 PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線- 10 -3.4 系統(tǒng)主電路的硬件設(shè)計(jì)- 10 -3.5系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)- 11 -第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)- 13 -4.1 編

11、程軟件介紹- 13 -4.2 PID控制器參數(shù)整定- 13 -4.2.1 PID控制及其控制算法- 13 -4.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型- 14 -4.2.3 PID參數(shù)的設(shè)置- 14 -4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析- 14 -4.4 控制系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)- 17 -4.4.1主程序設(shè)計(jì)- 17 -4.4.2初始化子程序設(shè)計(jì)- 22 -4.4.3 PI控制中斷子程序- 23 -第5章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).- 25 -5.1 MCGS組態(tài)軟件的介紹- 25 -5.2 MCGS組態(tài)界面的建立- 25 -5.2.1 畫面設(shè)計(jì)- 25 -5.2.2 設(shè)備連接- 27 -5.3 上下位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試

12、- 28 -第6章 總結(jié)- 29 -致謝- 30 -參考文獻(xiàn)- 31 -附錄一 系統(tǒng)主電路圖及PLC接線圖- 32 -附錄二 外文文獻(xiàn)及其翻譯34附錄三 主要參考文獻(xiàn)的題錄及其摘要40附錄四 梯形圖42插圖清單圖 2- 1 生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成.- 3 -圖 2- 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖- 5 -圖3- 1 恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線.- 10 -圖3- 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖- 11 -圖3- 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖- 12 -圖4- 1 PID控制原理框圖.- 13 -圖4- 2變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序流程圖- 16 -圖4- 3 初始化子程序SB

13、R_0梯形圖- 22 -圖4- 4 PID控制中斷子程序INT_0梯形圖- 24 -圖5- 1 工程界面.- 25 -圖5- 2 參數(shù)的設(shè)定- 26 -圖5- 3 監(jiān)控界面- 26 -圖5- 4 動(dòng)畫連接設(shè)置- 27 -圖5- 5 設(shè)備窗口設(shè)置- 27 -圖5- 6 設(shè)置通道及其對(duì)應(yīng)的對(duì)象- 27 -表格清單表3- 1 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單- 7 -表3- 2 PLC輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)- 9 -表4- 1 程序中使用的PLC元件及其功能.- 17 -引言隨著社會(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

14、來越高的要求。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)重影響了居民的生活用水和工業(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)中有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)是針對(duì)居民生活用水/消防用水而設(shè)計(jì)的。采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。在經(jīng)過PID運(yùn)算， 通過PLC控制變頻與工頻切換，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓供水。變頻調(diào)速水泵

15、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、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。變頻恒壓供水系統(tǒng)不僅具有供水質(zhì)量高、靈活性強(qiáng)、電機(jī)起制動(dòng)平穩(wěn)、無水錘效應(yīng)、占地面積小、設(shè)備投資少、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，而且提高了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，節(jié)水、節(jié)能效果顯著，具有很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。第1章 緒論1.1課題研究背景和意義隨著社會(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、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。而且目前我國水資源問題較嚴(yán)重，近2/3城市不同程度存在缺水，特別

16、是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失很大，同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。節(jié)能減排是保證工業(yè)和生活穩(wěn)定發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵措施，是各行各業(yè)的技術(shù)改革方向，節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征。我國由于水資源和電能短缺比較嚴(yán)重，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)用水等方面技術(shù)一直比較落后，而且自動(dòng)化程度低。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。早先電動(dòng)機(jī)的簡單調(diào)速己不再適應(yīng)當(dāng)前高精度的要求，現(xiàn)在需要的是高性能、低能耗、低成本以及技術(shù)指標(biāo)要求苛刻的應(yīng)用系統(tǒng)，基于PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣

17、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，方便實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)水性和節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，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。1.2變頻恒壓供水的系統(tǒng)特點(diǎn)及安全性討論變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，在本文中主要應(yīng)用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：l)滯后性：供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性，同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。2)非線形：用戶管網(wǎng)中因

18、為有管阻、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。3)多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。4)時(shí)變性：在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。5)容錯(cuò)性：當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然斷電

19、、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)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(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下仍能進(jìn)行供水。6)可擴(kuò)充性：水泵的電氣控制柜，具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵恒壓供水，節(jié)能效果顯著。影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。而采用

20、變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處：1）產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因是：水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)消除水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。2）降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長。1.3本課題設(shè)計(jì)任務(wù)及要求(l)提出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究方法；(2)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；(3)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；(4)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；(5)利用仿真軟件對(duì)下位機(jī)進(jìn)行仿真調(diào)試。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本論文介紹一個(gè)

21、兩泵生活/消防恒壓無塔供水系統(tǒng)。如圖2-1Error! Reference source not found.所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器EQ來控制注水閥YV1，自動(dòng)把水注滿儲(chǔ)水水池，只要水位低于高水位，則自動(dòng)往水箱注水。水池的高/低水位信號(hào)也直接送給PLC，作為低水位報(bào)警。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離較小。生活用水和消防用水共用兩臺(tái)泵，平時(shí)電磁閥YV2處于失電狀態(tài)，關(guān)閉消防管網(wǎng)，兩臺(tái)泵根據(jù)生活用水的多少，按一定的控制邏輯運(yùn)行，維持生活用水低恒壓。當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，電磁閥YV2得點(diǎn)，關(guān)閉生活用水管網(wǎng)，兩臺(tái)泵供消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值?；馂?zāi)結(jié)束后，兩臺(tái)泵再改為生

22、活供水使用。市網(wǎng)來水SLHYV1SLL水池YV2消防用水生活用水EQ1#2#圖 2- 1 生活消防雙恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制要求（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行，消防供水時(shí)高恒壓值運(yùn)行。（2）兩臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要，采取“先開先?！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3h，則要切換下一臺(tái)泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)泵工作時(shí)間過長。（4） 兩臺(tái)泵在啟動(dòng)時(shí)都要有軟啟動(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。2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有PLC、

23、液位變送器、壓力變送器、變頻器、上位機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)組等組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)或循環(huán)控制多臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)組，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和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。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可供選擇:(l)有供水基板的變頻器+水泵電動(dòng)機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(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)，

24、PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，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)整方便，具有較高的性能價(jià)格比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(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)通用變頻器十PLC十人機(jī)界面+壓力變送器這種控制方

25、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)，可以方便地通過上位機(jī)來改變存儲(chǔ)器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(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。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。通過對(duì)以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種的控制方式更適合于本系統(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

26、。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓。為了減少對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)組、管道所產(chǎn)生的水錘，水泵電動(dòng)機(jī)組配置電動(dòng)蝶閥，開啟水泵后打開電動(dòng)碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動(dòng)碟閥后停機(jī)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。綜上所述，控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主要由PLC、變頻器、水泵電動(dòng)機(jī)組、液位變送器、壓力變送器和上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成。該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2-2所示：PLC（含PID）管網(wǎng)壓力信號(hào)變頻器壓力變送器用戶水泵機(jī)組液位變送器水池報(bào)警信號(hào)水池水位信號(hào)M圖 2- 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可

27、看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。(2)信號(hào)檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。管網(wǎng)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，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號(hào)反映水泵的進(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)來自安裝于水

28、池中的液位傳感器；報(bào)警信號(hào)反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號(hào)為開關(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，通過變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制。變頻器是對(duì)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(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。作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組

29、成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水壓，檢

30、測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為0-10V的電信號(hào)，此檢測信號(hào)是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)后，首先啟動(dòng)變頻器拖動(dòng)變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差,調(diào)節(jié)變頻器的

31、輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2)當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號(hào)減小，偏差變大，PLC的輸出信號(hào)變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。(3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動(dòng)投入水泵M2(變速運(yùn)行)，同時(shí)

32、變頻泵M1做工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出水壓超限報(bào)警。(4)當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將工頻泵M1關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺(tái)工頻泵M2關(guān)掉。2.4水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵已運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求

33、，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0HZ。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下

34、降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，經(jīng)過計(jì)算在2.8125HZ左右。所以選擇50HZ和2.8125HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的硬件選型變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由PLC、變頻器、水泵電動(dòng)機(jī)組、液位變送器、壓力變送器、上位機(jī)等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。通過壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，變頻器輸出電動(dòng)機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)PID運(yùn)算，發(fā)出控制信號(hào)，控制水泵電動(dòng)機(jī)組進(jìn)行切換。PLC接上位機(jī)，上

35、位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。系統(tǒng)主要設(shè)備見表3-1。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模擬量擴(kuò)展模塊Siemens EM 235變頻器Siemens MM440水泵機(jī)組SFL系列水泵兩臺(tái)（上海熊貓機(jī)械有限公司）壓力變送器及顯示儀表普通壓力表Y-100、XMT-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器DS26(淄博丹佛斯公司)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)中所有輸入信號(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。因此我們在選擇PL

36、C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)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此PLC選用德國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

37、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)。PLC在系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)的功能：（1）實(shí)現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式PID調(diào)節(jié)。用PLC作調(diào)節(jié)器可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路PID設(shè)置。（2）對(duì)變頻器的驅(qū)動(dòng)控制。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接收壓力變送器送來的模擬信號(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控制信號(hào)，并依此信號(hào)的變化改變變頻器的輸出頻率。根據(jù)控制系統(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，由于實(shí)際中需要數(shù)字量輸入6個(gè)，數(shù)字量輸出10個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1

38、個(gè)。因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。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(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，一個(gè)字長(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DIP開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。3.1.2 變頻器的選型變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的

39、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。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：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選擇的西門子S7-200型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，我們選擇西門子的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)

40、行可靠性和很強(qiáng)的功能。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的RS-485/232C接口和用于簡單過程控制的PI閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì)I/O端子進(jìn)行功能自定義?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。MicroMaster440變頻器的輸出功率為0.75-90KW，適用于要求高、功率大的場合，恰好其輸出信號(hào)能作為75KW的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。另外選擇西門子的變頻器可以通過RS-485通信協(xié)議和接口直接與西門子PLC相連，更便于設(shè)備之間的通信。3.1.3 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平

41、穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)機(jī)額定功率75KW，供水壓力控制在0.3±0.01Mpa。SFL型低噪音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低(室外噪音60分貝)、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為75KW的上海

42、熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SFL系列水泵兩臺(tái)（電機(jī)功率75KW）。3.1.4 壓力變送器的選型壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?-5V或4-20mA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用4-20mA輸出壓力變送器。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為PLC的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)

43、警輸出。根據(jù)以上的分析，本設(shè)計(jì)中選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。壓力表測量范圍0-1Mpa，精度1.0；數(shù)顯儀輸出一路4-20mA電流信號(hào)，送給與CPU226連接模擬量模塊EM235，作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。3.1.5 液位變送器的選型考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會(huì)影響電機(jī)壽命，因此需要對(duì)水池水位作必要的檢測和控制。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位：2m-5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4-20mA電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入PL

44、C。綜合以上因素：本設(shè)計(jì)選擇淄博丹佛斯公司生產(chǎn)的型號(hào)為DS26分體式液位變送器，其量程為：0m-200m，適用于水池、深井以及其他各種液位的測量；零點(diǎn)和滿量程外部可調(diào)；供電電源：24VDC；輸出信號(hào)：兩線制4-20mADC；精度等級(jí)：0.25級(jí)。3.2 控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)及地址分配 根據(jù)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3-2所示。水位上下限信號(hào)分別為I0.1、I0.2，它們在水淹沒時(shí)為0，露出時(shí)為1。表3- 2 PLC輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)手動(dòng)自動(dòng)消防信號(hào)SA1I0.0水池水位下限信號(hào)SLLI0.1水池水位上限信號(hào)SLHI0.2變

45、頻器報(bào)警信號(hào)SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5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KM1，HL1Q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM2，HL2Q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM3, HL3Q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM4，HL4Q0.3生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥YV2Q1.0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火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KAQ1.5控制變頻器頻率用電壓信號(hào)UFAQW03.3 PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線圖3-1為PLC及擴(kuò)展模塊外

46、圍接線圖?；馂?zāi)時(shí)，火災(zāi)信號(hào)SA1被觸動(dòng)，I0.0為1。圖3- 1 恒壓供水控制系統(tǒng)PLC及擴(kuò)展模塊的外圍接線壓力變送器將測得的管網(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；開關(guān)SA1用來控制生活/消防兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入I0.0；液位變送器把測得的水池水位轉(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)，窗口比較器輸出高電平1，送入I0.1、I0.2；變頻器的故障輸出端與PLC的I0.3相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開關(guān)SB10與I0.5相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有10個(gè)數(shù)字

47、量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。Q0.0-Q0.3分別輸出兩臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；Q1.0輸出生活/消防供水轉(zhuǎn)換電磁閥信號(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輸出火災(zāi)報(bào)警信號(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。3.4 系統(tǒng)主電路的硬件設(shè)計(jì)對(duì)兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)組恒壓供水系統(tǒng)的基本要求是:(l)兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)根據(jù)恒壓需要，采取“先開先停”的原則接入和退出。(2)在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3h，則要切換下一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，避免某一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)工作時(shí)間過長。(3)

48、要有完善的報(bào)警功能。(4)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。圖3-2為系統(tǒng)主電路。兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為Ml，M2。接觸器KM1，KM3分別控制Ml，M2的工頻運(yùn)行;接觸器KM2，KM4分別控制Ml，M2的變頻運(yùn)行;FR1，F(xiàn)R2分別為兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器;QS1，QS2，QS3分別為變頻器和兩臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)組主電路的隔離開關(guān);FU為主電路的熔斷器;VVVF為通用變頻器。圖3- 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖3.5系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)圖3-3為系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA1為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA1位置打在1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)。圖3- 3 變

49、頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下：(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)故障的檢測與維修。單刀雙擲開關(guān)SA1打至1端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通過開關(guān)分別控制兩臺(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，可以通過按下SB3啟動(dòng)電機(jī)M2，通過按下SB4來使電機(jī)M2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。單刀雙擲開關(guān)SA1打至2

50、端時(shí)開啟自動(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，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，實(shí)現(xiàn)KM2、KM1的電氣互鎖。同理，2#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亮；當(dāng)Q1.2輸出1時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈HL8亮；當(dāng)Q1.3輸出1時(shí)，火災(zāi)報(bào)警指示燈HL9亮；當(dāng)Q1.4輸出1時(shí)，報(bào)警電鈴HA響；當(dāng)Q

51、1.5輸出1時(shí)，中間繼電器KA的線圈得電，常開觸點(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。第4章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 編程軟件介紹PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP 7-Micro/WIN-V40編程軟件開發(fā)。該軟件的SIMATIC指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(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)器硬件的語言。梯形圖(LAD)語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

52、最多的一種編程語言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是PLC的高級(jí)語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，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PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，是通過在RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。4.2 PID控制器參數(shù)整定

53、4.2.1 PID控制及其控制算法在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用Proportional(比例)、Integral(積分)、Derivative(微分)控制方式，稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡單，控制效果好，被人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)之間的偏差e(t)，經(jīng)比例(P)、積分(I)和微分(D)運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。系統(tǒng)由模擬PID控

54、制器和被控對(duì)象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，圖中u(t)為PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。比例積分管網(wǎng)微分壓力變送器水泵實(shí)際壓力轉(zhuǎn)速給定壓力頻率r(t)e(t)u(t)+-+y(t)圖4- 1 PID控制原理框圖PID控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)的作用，偏差e(t)一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)Kp的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(2)積分環(huán)節(jié)：表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，直到系統(tǒng)偏差為零。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差

55、度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，易引起系統(tǒng)超調(diào)量加大，反之則越強(qiáng)，易引起系統(tǒng)振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)的變化趨勢做出反應(yīng)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。4.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型由于變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)時(shí)變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對(duì)象，我們難以得出它的精確數(shù)學(xué)模型，只能進(jìn)行近似等效。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始?jí)毫﹂_始啟動(dòng)水泵運(yùn)行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時(shí)經(jīng)歷兩個(gè)過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個(gè)階段管網(wǎng)壓力基本保持初始?jí)毫Γ@是一個(gè)純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個(gè)管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個(gè)大時(shí)間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間與供水系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間相比可忽略不計(jì)，均可等效為比例環(huán)節(jié)。因此，恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即可以寫成：式中：K為系統(tǒng)的總增益，T為系統(tǒng)的慣性時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)滯后時(shí)間。4.2.3 PID參數(shù)的設(shè)置在本系統(tǒng)PID中，只是用了比例和積分控制，其回路增