基于PLC和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設計

1、論 文 題 目：基于PLC和變頻器的住宅小區(qū) 恒壓供水系統(tǒng)設計 摘 要隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們日常生活水平的不斷提高，城市中的小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，也對小區(qū)的基礎設施建設提出了更高的要求。其中小區(qū)供水系統(tǒng)的建設就是一個重要方面，因為供水的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住戶的正常生活。本論文針對某住宅小區(qū)的供水要求，設計了一套由PLC、變頻器、遠傳壓力表、多臺水泵機組等主要設備構成的全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)，具有全自動變頻恒壓運行、自動工頻運行和現(xiàn)場手動控制等功能。論文分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)勢。該系統(tǒng)利用變頻器內置PID功能與遠傳壓力表反饋的實際壓力信號形成系統(tǒng)

2、的閉環(huán)控制，再結合電機水泵和PLC等執(zhí)行機構組成整個變頻恒壓供水系統(tǒng)，進而實現(xiàn)系統(tǒng)的高效節(jié)能的目的，同時給出了實現(xiàn)有效狀態(tài)循環(huán)轉換控制的電氣設計方案和PLC控制程序設計方案。該供水系統(tǒng)有效地解決了傳統(tǒng)供水方式中存在的問題，并具有一定的輔助功能，增強了系統(tǒng)的可靠性。關鍵詞：恒壓供水；PLC；變頻調速；住宅小區(qū)ABSTRCTAlong with the rapid development of Chinas economy, the Peoples daily life level inceasing enhancement, the city in the village is developi

3、ng very rapidly, and also the construction of community infrastructure construction put forward higher request. One area the water supply system construction is an important aspect, because the stability，the reliability and the economy of the water supply directly affect the village residents normal

4、 life.This paper aims to a residential area water supply requirement, design a set of by PLC, frequency converter, far easton pressure gauge, many sets of pump unit and other major equipment structure of automatic frequency constant pressure water supply system, with automatic frequency constant pre

5、ssure operation, automatic started running and field manual frequency control etc. This paper analyzes the advantage of frequency control the constant pressure water supply compared to traditional way has. Based on PID module parameters of inverter built-in preset, using remote transmission gauge pr

6、essure feedback quantity, constitute closed loop system, according to the change of water, take PID automatic adjustment way, in flow to the extent permitted use of variable frequency pump and industrial frequency pump combination, realize adjust constant pressure water supply and effective energy s

7、aving, and gives realize effective control of the state circulation convert electrical design scheme and PLC control program design. The water supply system to effectively solve the problem in the traditional way of water and has certain the auxiliary function in order to make the system more reliab

8、ility. Key words: Constant Pressure water一supply; PLC; Variable velocity variable frequency；Abiding place目 錄摘 要IABSTRCTII1.緒論11.1課題的研究背景及意義11.2 恒壓供水的現(xiàn)狀和發(fā)展11.3 課題研究的內容22 控制系統(tǒng)總體方案設計32.1 系統(tǒng)的一般設計原則32.2 系統(tǒng)研究對象及功能32.3 基于PLC和變頻器恒壓供水系統(tǒng)的工作原理52.4 系統(tǒng)的總體設計框圖73.系統(tǒng)硬件電路設計93.1 PLC93.2 變頻器123.3 電機水泵193.4 傳感器223.5 其它

9、配套設備243.6 總的電路圖244.系統(tǒng)的軟件設計314.1 PLC的工作流程圖314.2 PLC的程序設計325結論36附 錄137附 錄238致 謝43參考文獻441.緒論1.1課題的研究背景及意義隨著社會科學與技術的迅速發(fā)展，人民的生活水平不斷的提高，社會對供水的質量和安全可靠性有了更高的要求。在我國提倡的建設節(jié)約環(huán)保型社會的前提下，將先進的自動化、控制、通訊及網(wǎng)絡技術應用到供水的領域，是順應時代的首選，而具備這樣技術的現(xiàn)代恒壓供水系統(tǒng)也就成了現(xiàn)代發(fā)展的重點。在日常生活中，用戶的用水量是時刻變化的，特別是在住宅小區(qū)中經(jīng)常發(fā)生供水不足或過剩的現(xiàn)象。由上可以知道供水壓力的大小決定著用戶用水

10、量和供水量，即水量的供大于求，則供水壓力大；供小于求，則供水壓力小。一般所說的恒壓供水就是用戶的用水和供水保持平衡，這樣在很大程度上提高了供水質量。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)，對于某些用水單位提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗、信息共享，采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。1.2 恒壓供水的現(xiàn)狀和發(fā)展住宅小區(qū)傳統(tǒng)的供水方式有:恒速泵加壓供水、高位水箱水塔供水、單片機變頻調速供水系統(tǒng)等方式，其優(yōu)、缺點如下1:（1）恒速泵加壓供水方式對供水管網(wǎng)的壓力無法做出及時的反應，增減水泵的工作都依賴手工操作，自動化程度很低，而且為了保證供水，水泵機組常常處于滿負荷運行，其結

11、果就是不但運行效率低、消耗電量大，而且在用用戶水量較少時，供水管網(wǎng)會長期處于高壓運行狀態(tài)，損壞現(xiàn)象嚴重，電機的硬起動會產(chǎn)生水錘效應，有很大的破壞性，現(xiàn)在已經(jīng)很少應用了。（2）高位水箱水塔供水控制方法簡單、短時間的維修或在停電情況下可以不停水，但它的基礎建設投資大，占地面積大，維護不方便，電機水泵的啟動為硬起動，頻繁的起動極易損壞電機軸，目前其主要應用于高層建筑。（3）單片機變頻調速供水系統(tǒng)也能做到變頻調速，自動化程度要優(yōu)于上面幾種，但是該系統(tǒng)的開發(fā)周期比較長，對設計員的要求比較高，而且可靠性比較低，維修不方便，不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。由以上幾種方法可以看出，傳統(tǒng)的恒壓供水方式存在不同程度的浪費

12、能源的現(xiàn)象；運行效率低下；系統(tǒng)的可靠性差；自動化程度不高等現(xiàn)象，這些缺點對人們的生活造成很大的影響?，F(xiàn)代的供水方式的發(fā)展方向為高效率、可觀節(jié)能、自動控制、運行可靠等。以現(xiàn)代科技支持的變頻調速技術的控制方式具有以上的技術要求，其應用廣泛在需要消耗很高能源的設備上，特別是在工業(yè)用水，居民生活用水等，變頻調速技術的節(jié)能性能突出，根據(jù)實際應用總結表現(xiàn)出的優(yōu)越性有：一、高效節(jié)能；二、在電機的啟動、停止時能降低電流對電網(wǎng)，以及供水壓力對供水管網(wǎng)的沖擊；三、降低電機、水泵的機械磨損。 基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)是集變頻、電氣、現(xiàn)代控制和其他現(xiàn)代科技于一身的較為先進的系統(tǒng)設計。使用該系統(tǒng)系統(tǒng)供水的穩(wěn)定性

13、和可靠性可以顯著的提高,在我國大力提倡資源節(jié)約的今天，具有優(yōu)良節(jié)能效率的特點的恒壓供水系統(tǒng)會有更大的發(fā)展空間 。為了提高企業(yè)效率和人民生活水平、降低能耗的分析,利用現(xiàn)代技術而設計的變頻恒壓供水系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。1.3 課題研究的內容本文主要通過對現(xiàn)有供水系統(tǒng)分析，依據(jù)用戶對供水系統(tǒng)的要求，確定以變頻器和PLC作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統(tǒng)以保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行情況。具體來說，這篇論文包括以下內容：（1）在對課題進行分析和研究的基礎上，提出了系統(tǒng)的設計思路和方案，確定論文主要的研究內容和研究方法；（2）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)工作的原理；確定變頻恒壓供水系

14、統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程。（3）從用戶的需求入手確定合適的設備選型；詳細分析自動變頻恒壓運行方式水泵運行的各種工況及其轉換過程，討論PLC的程序設計方法及程序執(zhí)行特點，并在此基礎上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設計方案。（4）在總體的設計方案定下來之后，對各個硬件連接和軟件設計做出理論預測，并對整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定做出相應調整。2 控制系統(tǒng)總體方案設計2.1 系統(tǒng)的一般設計原則 結合地面上諸如水廠、泵站的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計以及工程建設，總結出的基于變頻調速的恒壓供水系統(tǒng)的一般設計原則2：采用國內比較先進的恒壓控制方式，將通過用戶的用水管網(wǎng)中的壓力變化經(jīng)過壓力傳感器的數(shù)據(jù)采

15、集送給變頻器，再通過變頻器與變頻中的設定值比較，根據(jù)變頻器的內置PID功能進行數(shù)據(jù)處理。當供水壓力低于設定時，控制交流接觸器，切換水泵由變頻轉向工頻。當供水壓力高于設定值時，繼續(xù)控制系統(tǒng)的交流接觸器，增減運行的電機水泵的臺數(shù)和工變頻的切換，準確進行恒壓供水控制運行。2.2 系統(tǒng)研究對象及功能2.2.1、研究對象電機水泵的參數(shù)值設定可以通過以下模擬住宅小區(qū)的設置的來確定電機水泵參數(shù)以及整個小區(qū)的性能。售樓處小區(qū)的基礎設施中的有整體設計的特點，用戶集中，對其供水供電都是網(wǎng)絡化管理。而且對不同樓層的控制不同，即時調控的功能可以實現(xiàn)。選用的DL系列水泵立于高層建筑之上，根據(jù)先前的設計思路可以實現(xiàn)整個水

16、網(wǎng)的自動循環(huán)，同時減少了傳統(tǒng)水塔出現(xiàn)的二次污染的情況。所以整個小區(qū)的供水系統(tǒng)就可以在有效的自動控制和高效節(jié)能的情況下運行。（2）用戶的供水量的確定3用戶用水量的確定主要從最高層得用戶來考慮，即小區(qū)中的最高層28層用戶的用水情況來設計的。以水龍頭的流量 來算，則單位時間內住戶需要的的供水流量： （2-1）（3）供水揚程計算在揚程計算中，一般把最遠最高建筑作為依據(jù)，理論上若0.1MPa的壓力可獲得10m揚程。公寓高度為100m，則供水壓力需要1.0MPa。（4）水泵驅動電機功率計算 （2-2）式中：P電動機功率（kw）;k裕量系數(shù)，常取1.051.7，這里取1.6；-流體密度（kg/）;Q泵的流量

17、（/s）,?。?s）(高于實際10%)；H-揚程(m),取98m；-主管損失揚程，取3m；-泵的效率，一般取0.60.84，這里取0.7；-傳動裝置效率，與電動機直接連接=1.0；= （2-3）要設計需要的高層小區(qū)的變頻恒壓供水系統(tǒng)，高近百米的建筑，需要選取30kw,轉速1480r/min的電機水泵。2.2.2、系統(tǒng)功能及性能（1） 整套的控制系統(tǒng)擁有手動、自動兩種工作方式, 前者主要用來調試檢修設備及其應對特別情況；一般情況下, 設備被置于自動位,以實現(xiàn)設備的自動運行。（2）當工作方式為自動時, 可以根據(jù)壓力的設定內部進行自動控制,可以保證正常的供水。（3）當工作方式為手動時,水泵轉速由人工

18、在電氣柜上通過電位器調節(jié)。（4）水泵有三臺，兩臺常用，一臺備用, 由PLC和變頻器來控制各個水泵的運轉和啟停。（5）系統(tǒng)具有運行、報警故障等信號。（6）住宅小區(qū)的在最高層的供水在1.0Mpa壓力下的電機水泵在建筑頂層從建筑地下往上吸水，形成無二次污染的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)。2.3 基于PLC和變頻器恒壓供水系統(tǒng)的工作原理基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、壓力傳感器、管網(wǎng)和電機水泵組成。一般是通過控制臺上的按鈕和指示燈，以及手動/自動的轉換開關來運行和控制整個供水系統(tǒng)的。首先是將壓力傳感器安裝在用戶端的出水管網(wǎng)上，把測得的出水口的壓力信號轉變成4-20mA標準電信號，并將這個

19、信號與初始設定于變頻器上已經(jīng)設置好的的壓力參數(shù)進行比較，再將計算的差值送入變頻器的內置的PID調節(jié)器，內置的PID調節(jié)器將差值的運算結果轉換成4-20mA電流信號再送至變頻器。系統(tǒng)最終的執(zhí)行系統(tǒng)是由變頻器控制單個水泵電機，控制其轉速來調節(jié)總的供水量。根據(jù)用水量的不同，水泵電機的轉速在變頻器調節(jié)下是不同的，當然變頻器的工作頻率也就不同。同時在變頻器中設定上限和下限頻率檢測，當用水量大的時候，變頻器迅速上升到上限頻率。此時，變頻器會根據(jù)其內部功能宏的設定給PLC輸出一個開關信號；當用水量低時，變頻器內部控制會達到下限頻率，變頻器也輸出一個開關信號給PLC。根據(jù)設定的內部值可以得到，上限和下限頻率的

20、兩個信號不會同時產(chǎn)生。不論產(chǎn)生哪一種信號，該信號會立刻返回給PLC，到達后通過PLC設定的內部程序驅動I/O端口的輸出來控制交流接觸器的吸合與斷開，以此來協(xié)調投入工作的水泵電機臺數(shù)，同時完成水泵電機的啟停、變頻與工頻的切換等功能。通過調整投入工作的水泵電機臺數(shù)和控制電機組中一臺電機的變頻轉速，與幾臺其他電機的工頻運行使系統(tǒng)管網(wǎng)的工作壓力始終穩(wěn)定，進而達到恒壓供水的目的4。下圖為變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖：圖 2-1 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖由圖2-1可以看出，電機水泵是輸出環(huán)節(jié)，由變頻器控制電機的轉速，實現(xiàn)恒壓供水控制。變頻器在接受PID控制器的信號之后控制水泵電機的運行速度，同時在壓力傳感器檢測出管網(wǎng)

21、出水壓力后，把壓力轉換的電信號與給定的壓力值進行比較，將比較完之后的差值傳給PID控制器，通過PID控制器調節(jié)變頻器的頻率來控制水泵的轉速，實現(xiàn)了整個供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制。綜上所述，可依據(jù)用水量的變化而自動進行調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)的變頻恒壓供水系統(tǒng)，可以保持恒定供水壓力來滿足用水要求，被看作是現(xiàn)代比較合理、先進的節(jié)能高效的供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要的設計任務是利用PLC和變頻器控制一臺或循環(huán)控制多臺水泵電機，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及水泵變頻與工頻的切換，同時還要能傳輸運行的數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，結合系統(tǒng)的使用場所，有以下幾種方案可供選擇2：（1）有供水基板的變頻器+水泵

22、機組+壓力傳感器這是一種結構簡單的控制系統(tǒng)，PID調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件被集中合成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求。在調試時，PID調節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了帶負載的容量，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+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調整方便，具有較高的性能價格比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為

23、麻煩，因此現(xiàn)場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，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)適用于某一特定領域的小容量變頻恒壓供水中。（3）通用變頻器+PLC+壓力傳感器這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其他系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換；通用性強，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)模和要求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC 的硬件配置和I/O 的外部接線，控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC 機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調試方便。同時由于PLC 的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大

24、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，并且與供水機組的容量大小無關。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路十PLC+壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。2.4 系統(tǒng)的總體設計框圖住宅小區(qū)的高層供水系統(tǒng)主要包括一臺PLC控制柜、一臺變頻器、一個壓力感應器、三個水泵。三臺電機拖動水泵，兩臺自動，自動的兩臺一臺常用一臺備用。一臺手動備用，它在自動方式不能正常工作的情況下啟用。自動方式可以實現(xiàn)無人值班，無須人為干預?？刂葡到y(tǒng)結構圖如下圖所示：圖 2-2 控制系統(tǒng)結構框圖 由上

25、述控制圖結合變頻恒壓的控制原理可以看出，經(jīng)由管道出口的壓力傳感器測出的壓力值經(jīng)過與變頻器相連的線路，與變頻器的設定值進行比較之后得到的差值，在變頻器內置的PID功能的計算下，對電機水泵的一系列調速以及工頻變頻之間的切換，最終達到變頻恒壓供水的目的。這就是整個系統(tǒng)的設計理念。3.系統(tǒng)硬件電路設計3.1 PLC3.1.1 PLC功能5PLC系統(tǒng)一般由以下基本功能構成：（1）多種控制功能；（2）數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能；（3）通信聯(lián)網(wǎng)功能；（4）輸入/輸出接口調理功能；（5）人機界面功能；（6）編程、調試功能。 1）控制功能 邏輯控制：PLC具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運算功能，能代替繼電器進

26、行開關量控制。 定時控制：它為用戶提供若干電子定時器，用戶可自行設定接通延時、關斷延時和定時脈沖等方式。 計數(shù)控制：用脈沖控制可實現(xiàn)加、減計數(shù)模式，可連接碼盤進行位置檢測。 順序控制：在前道工序完成后，就轉入下一道工序，使一臺PLC可作為多部步進控制器使用。 2）數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能數(shù)學運算功能包括：a)基本算術：加、減、乘、除；b)擴展算術：平方根、三角函數(shù)和浮點運算；c)比較：大于、小于和等于；d)數(shù)據(jù)處理:選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出；e)模擬數(shù)據(jù)處理：PID、積分和濾波。3)通信、聯(lián)網(wǎng)功能 現(xiàn)代PLC多數(shù)都采用通信、網(wǎng)絡技術，有RS232或RS485接口，可進行遠程I/O控制

27、，多臺PLC可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺或多臺可編程控制器的信號處理單元之間，可以實現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉移、數(shù)據(jù)文檔轉移、監(jiān)視和診斷。 在系統(tǒng)構成時，可由一臺計算機與多臺PLC構成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡，以完成較大規(guī)模復雜控制。 4）輸入/輸出接口調理功能 具有A/D，D/A轉換功能，通過I/O模塊完成對模擬量的控制和調節(jié)精度可根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。 5）人機界面功能 提供操作者監(jiān)視機器/過程工作必需的信息；允許操作者和PC系統(tǒng)與其應用程序相互作用，以便做出決策和調整。實現(xiàn)人機界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的

28、CRT顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個人計算機以及工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。 6）編程、調試功能使用復雜程度不同的手持式、便攜式和桌面式編程器、工作站和操作屏，進行編程、調試、監(jiān)視、試驗和記錄，并通過打印機打印出程序文件。3.1.2 PLC的工作原理6 PLC是一種工業(yè)計算機，所以它的工作原理與計算機的工作原理基本上是一致的，也就是說，PLC是在系統(tǒng)程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務，實現(xiàn)控制目的。但是PC與PLC又有所不同：前者一般是采用等待命令式的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式。當有鍵按下或I/O口有信號輸入時，則中斷轉入相應的子程序。而PL

29、C采用的是循環(huán)掃描的方式，即順序的逐條地掃描用戶的程序的操作，根據(jù)程序運行的結果，一個輸出的邏輯線圈應安通或斷開，但該線圈的觸點并不立即動作，而必須等用戶程序全部掃描結束后，才能輸出動作信息全部送出執(zhí)行。也就是說，PLC系統(tǒng)的工作任務管理和應用程序執(zhí)行都是循環(huán)掃描的方式完成的。3.1.3 PLC的選型5 FX系列PLC是繼F1、F2系列之后，三菱公司新推出的小型（超小型）機，主要有FXON、FX2、FX2N、FX2C等幾種機型。FX系列PLC是整體結構PLC，他的基本單元由電源、CPU、存儲器、I/O器件組成。PLC的電源和輸入的組合方式主要有AC電源/DC輸入型、AC電源/AC輸入型、DC電

30、源/DC輸入型3種。輸出方式有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種。 FX系列PLC配有許多擴展單元和擴展模塊，這些擴展模塊、擴展單元和基本單元連接配合使用，可方便地增加PLC的輸入點數(shù)或輸出點數(shù)，以改變系統(tǒng)的I/O點數(shù)的比例，滿足實際的需求。 FX系列PLC還有許多特殊單元、特殊模塊。這些特殊單元、特殊模塊和基本單元連接配合使用后，PLC可實現(xiàn)模擬控制、定位控制、高速計數(shù)、數(shù)字通信等功能。 FX系列PLC的基本單元可獨立運行，構成控制系統(tǒng)；而擴展單元、擴展模塊、特殊模塊、特殊單元需要與基本單元連接配合使用，不能單獨構成系統(tǒng)。 FX2N系列PLC是超小型機，I/O點數(shù)最大擴展可達到256點。

31、它有內置的8K步的RAM，使用存儲卡盒后，最大容量可擴大到16K步，編程指令達327條。PLC運行時，對一條基本的指令的處理時間只要0.008S。它不僅能完成邏輯控制、順序控制、模擬量控制、位置控制、高速計算控制等功能，還能做到數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運算、平方根以及浮點數(shù)運算、PID運算等更為復雜的數(shù)據(jù)處理。所以FX2N系列PLC具有大容量、高速度、指令功能完善等特點。3.1.4 PLC的I/O端子確定 由上述系統(tǒng)的硬件分析可以得到PLC的硬件設計時候的功能設定，通過PLC的輸入輸出端口的設定，可以知道PLC和變頻器連接的時候PLC具體到什么樣的功能。在于變頻器合作的時候直接負責最后繼電

32、器的動作已達到期望的效果。所以，PLC的端口的設定在整個系統(tǒng)的工作中有重要的地位。三菱PLC的輸入輸出端口的設定如下表所示：表3.1 PLC I/O端口分布輸入輸出功能端口功能端口減泵信號X0運行指令Y0增泵信號X1手動/自動設置Y1手動/自動信號X21#泵工頻啟動Y2變頻運轉啟動X32#泵工頻輸出Y3自動運轉停止X41#泵變頻輸出Y41#泵變頻啟動X52#泵變頻輸出Y52#泵變頻啟動X63#泵工頻運行Y61#泵手動啟停X7自動控制運行Y72#泵手動啟停X103#泵手動啟停X11故障指示X123.2 變頻器3.2.1 變頻器基本工作原理7 變頻調速系統(tǒng)把電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻交流電源轉換成頻率和

33、電壓都可以調節(jié)的電源，用它來驅動電動機，以獲得更靈活、更高效的電動機特性。所以，簡單的把變頻調速系統(tǒng)成為變頻電源，它提供市電與電動機的接口。 從轉化方式上來說，可以分為交-交變頻和交-直-交變頻兩大類轉換方式。交-交變頻方式一般在特大功率的交流調速系統(tǒng)中應用。交-直-交變頻方式是通用的交流電機調速系統(tǒng)中應用最廣泛的頻率交換方式，是要重點討論的頻率變換方式。 交-直-交頻率變換方式和交-交頻率變換方式相比，在工作狀態(tài)上多了一個直流的存在狀態(tài)，因此它是一種間接頻率交換方式，故它有更大的靈活性。交-直-交頻率交換方式可以分為電壓源型和電流源型兩大類。 （1）電壓源型的特點是在直流中間回路中采用大容量

34、的電容進行濾波，直流回路電壓波形平直，輸出阻抗小，電壓不易變化，相當于直流恒壓源。逆變部分的電力電子開關將直流電壓變成交流電壓，驅動電動機可靠運行。這種交換方式在中、小功率變頻調速系統(tǒng)中有廣泛的應用。（2）電流源型的特點是在直流中間回路中采用較大的電感的電抗器進行濾波，直流回路電流波形平直，輸出電抗很大，電流不易變化，相當于一個直流恒壓源。逆變部分的電力電子開關將直流電流變成交流電流電，驅動電動機可靠運行。這種變換方式在大功率變頻調速系統(tǒng)中有很大優(yōu)勢。在早期的變頻調速系統(tǒng)中，大多采用六拍階梯波的逆變方式，這種逆變方式只能實現(xiàn)對頻率的控制，它能輸出可調頻率的電源驅動電動機運行，但是根據(jù)變頻調速的

35、要求，還對電壓進行控制，只能通過在整流部分使用可控元件，實現(xiàn)對電壓調節(jié)。雖然實現(xiàn)了變頻調速的基本要求，但是它控制復雜、控制特性差、系統(tǒng)響應速度慢、電動機動態(tài)性能差。隨著調速理論的發(fā)展和電力電子的元件特性的提高，現(xiàn)代的交流調速系統(tǒng)大多采用PWM逆變方式。這種控制方式首先對整流部分做了簡化，采用的是不可控元件，整流輸出的直流中間電路后，直接加在逆變器上，通過對逆變元件的高速通/斷控制輸出矩形脈沖波。這種決定開關元件動作順序和時間分配規(guī)律的控制方法叫做PWM方法。該方法通過改變輸出矩形脈沖的寬度來控制輸出交流基波電壓幅值，通過改變輸出調制周期控制輸出頻率。PWM控制方法在逆變器上同時實現(xiàn)了變頻和調壓

36、，簡化了控制方法，提高了控制特性，系統(tǒng)響應速度更快，電動機的動態(tài)特性得到顯著的提高。變頻調速的優(yōu)點與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)比較,變頻恒壓供水能全天候維持恒定供水壓力, 并根據(jù)壓力信號自動啟動備用泵,利用無級調速來供水，進行調整壓力,從而使供水質量變好,而且不會造成管網(wǎng)破裂。以變頻調速為核心恒壓供水系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的高層水塔和壓力罐等供水設備, 這在建設的投資方面節(jié)省了大量的資金和占地面積,另一方面避免了電機水泵的頻繁啟停,電機在變頻技術的控制下起動平滑,這樣電機的起動電流就可限制在額定電流范圍內,從而避免了電機起動時對電網(wǎng)的沖擊;降低了電機水泵的啟動時產(chǎn)生的沖擊而造成的電機的機械磨損,增加了電機水泵的使用

37、壽命；同時也避免了在傳統(tǒng)方式下供水在電機起動和停機時產(chǎn)生的的水錘效應以及水壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象,使得供水的水質存在污染,而不符合衛(wèi)生標準等問題。采用變頻恒壓供水的方式, 系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的實際用水量,對供水壓力自動進行檢測,進而控制電機轉速, 達到高效節(jié)能的目的。避免了像高層建筑水塔在供水無人值班時, 總是有水泵運行的現(xiàn)象,節(jié)省了財力、人力。變頻恒壓供水可以根據(jù)內部設定值，自動實現(xiàn)多泵循環(huán)運動功能, 延長了電機水泵的使用壽命。而且變頻恒壓供水系統(tǒng),具有欠壓保護、過流保護、缺相保護、過熱保護、過載保護、短路保護等功能,保護功能齊全,運行安全可靠1。變頻器的選型變頻器選型時要確定以下幾點7:（1）采用變

38、頻技術的目的：應用于恒壓控制或恒流控制等。（2）選用變頻器的負載類型：如葉片泵或容積泵等，應當特別注意負載的性能曲線，性能曲線決定了應用時的方式方法。（3）變頻器與負載的匹配問題：1）電壓匹配：變頻器的額定電壓與負載的額定電壓相符。2）電流匹配：普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機的額定電流相符。對于特殊的負載如深水泵等則需要參考電機性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。3）轉矩匹配：這種情況在恒轉矩負載或有減速裝置時有可能發(fā)生。（4）在使用變頻器驅動高速電機時，由于高速電機的電抗小，高次諧波增加導致輸出電流值增大。因此用于高速電機的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機的選型。（5）變

39、頻器如果要長電纜運行時，此時要采取措施抑制長電纜對地禍合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況一下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。（6）對于一些特殊的應用場合，如高溫，高海拔，此時會引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋根據(jù)工藝要求，配用ABB系列變頻器，具體型號為具備內置PID功能的ACS510-01-060A-4變頻器。圖 3-1 ACS510變頻器外觀圖ACS510系列變頻器是ABB公司采用直接轉矩控制技術，結合多種先進生產(chǎn)制造工藝而推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率調節(jié)范圍，優(yōu)良的速度控制和轉矩控制特性，完整的保護功能以及靈活的編程能力，較高的可靠性

40、和較小的體積。該變頻器共有6種控制方式：工廠、手動/自動、PID控制、恒轉矩、順序控制、風機水泵控制（PFC）。一般住宅小區(qū)的恒壓供水系統(tǒng)采用的多是是手動/自動控制宏和PID控制宏，以及PFC控制宏等。當操作臺選擇開關處于“自動”時，變頻器與PLC相結合對整個恒壓供水系統(tǒng)進行自動控制。變頻器基本參數(shù)表如下表所示：表 3.2 ACS-510變頻器基本參數(shù)表主電源連接可編程控制連接電壓3相，380480V2路模擬輸入AI1,AI2頻率4863HZ電壓信號010V,RIN312K,單端功率范圍1.1110KW電流信號020mA，RIN =100k，單端功率因素0.98給定電位器電源10V+/-2%，

41、最大10mA電機連接最大延時1232ms電壓3相，0220V輸入電壓2路模擬輸入AO1,AO2020mA，負載500頻率0500HZ直流輔助電壓源24VDC+/-10%,最大250mA開關頻率6路數(shù)字輸入DI1DI612V24V,由外部或內部供電標準缺省4HZ3路繼電輸入RO1RO3可選1HZ,4HZ,8HZ,12HZ最大開關電壓250VAV/30VDC加速時間0.11800s，可調最大開關電流6A/30VDC,1500VA/230VAC減速時間0.11800s,可調傳統(tǒng)的變頻恒壓供水系統(tǒng)通常采用的基本原理是通過安裝在供水管網(wǎng)出口處的壓力傳感器檢測管網(wǎng)供水壓力，將檢測到的壓力信號反饋到PLC后

42、，與在PLC中設定的壓力設定值進行比較后，經(jīng)PLC內部的PID的計算后，輸出給變頻器一個轉速控制的信號，在用戶用水量大時，增加電機的運轉頻率，當水量變小時，降低運轉頻率，使管網(wǎng)維持恒壓。還有一種方法是單獨設置一個PID控制調節(jié)器，將壓力傳感器反饋的值和原本設定的壓力值送入PID控制器中，由PID控制器計算后送出信號給變頻器，對電機水泵進行控制。由于帶模擬量輸人輸出接口的PLC的價格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。如果采用一個帶有開關量輸人輸出的PLC和一個PID調節(jié)器組成的設備，其成本也和模擬量輸人輸出的PLC差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產(chǎn)生和輸出環(huán)節(jié)就成

43、為降低給水設備成本的一個關鍵環(huán)節(jié)12。針對以上論述中提到的變頻調速供水不足，國內外不少廠家近來紛紛推出新的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品都是將PID調節(jié)器和簡易PLC的功能都綜合進變頻器內，形成了帶有各種應用宏的新型變頻器，這類變頻器的價格比通用變頻器價格略高一點，但是功能卻強的多。由于PID運算在變頻器的內部，這就省去了對可編程控制器存儲容量的要求和對PID算法的編程，而且參數(shù)調整，非常容易，這不僅降低了成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。為了保證水壓反饋信號的準確，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，還可以對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調試非常簡單、方便。3.2.4 變頻器相關參數(shù)的設置在變頻器的眾多功能里面PID控制宏

44、是值得與PLC控制器連接的功能之一，由于不同的變頻器擁有不同的不同的控制宏功能，那么對其參數(shù)的確定就成了區(qū)別各種不同的變頻器運行的依據(jù)。對ABB公司的ACS510型的參數(shù)設定是本系統(tǒng)硬件控制的又一個重點，對最終的功能實現(xiàn)有不可估量的作用。對于變頻器來說，PID控制宏的設置是參與整個系統(tǒng)的關鍵布置8：（1）預置PID功能 預置的內容是：變頻器的PID功能是否有效。當變頻器的PID調節(jié)功能有效后，其升、降速過程將完全取決于由P、I、D數(shù)據(jù)所決定的動態(tài)響應過程，而原來預置的“升速時間”和“降速時間”將不再起作用。（2）目標值的預置 PID調節(jié)的根本依據(jù)是反饋量與目標值之間進行比較的結果。因此，準確地

45、預置目標值是十分重要的。主要有以下兩種方法：1）面板輸入式 只需通過鍵盤輸入目標值。其確定方法通常是：目標壓力與傳感器量程之比的百分數(shù)。2）外接給定式 由外接電位器進行預置，但顯示屏上仍顯示目標值的百分數(shù)。在此例中選用第一種方法，此法易懂、操作簡單、直觀。結合ABB變頻說明書PID參數(shù)設置如表一所示,其實際設定值應根據(jù)工藝要求以實際為依據(jù)。表3.3啟動數(shù)據(jù)設定9901語言選擇1（中文）9902宏設置6（PID控制宏）9905電機額定電壓380V9906電機額定電流要與實際相符9907電機額定頻率要與實際相符9908電機額定轉速要與實際相符9909電機額定功率要與實際相符表 3.4 過程PID設

46、置 參數(shù)代碼內容設定參數(shù)代碼4006單位11（mA）4007顯示格式14010給定值選擇19（內部給定）4011內部給定值恒壓目標值4018實際值1下限0%對變頻器參數(shù)的預置，首先要把調速對象泵銘牌上的基本參數(shù)（如電壓、電流、功率、轉速等）對照選用變頻器的參數(shù)表輸入到變頻器中去，其次要對模擬輸入進行設置，模擬量有0-20mA的，有4-20mA的，以實際為準。以ABB變頻ACS510系列為例，參數(shù)見下表：表 3.5給定選擇設定1102外部控制選擇21103給定值1選擇11104給定值1下限0Hz / 0rpm1105給定值1上限50Hz / 額定轉速rpm1106給定值2選擇19（內部PID給定

47、）1107給定值2下限20%1108給定值2上限100%表 3.6 模擬輸入設定1301AI1下限0%1302AI1上限100%1304AI2下限20%1305AI2上限100%表 3.7 限幅設定2001最小轉速02002最大轉速電機額定轉速2003最大電流1.5In3.3 電機水泵3.3.1 異步電機的調速問題變極調速、串級調速和變頻調速都屬于高效調速方式，而低效調速方式主要有滑差調速、轉子串電阻調速和定子調壓調速。其中，液力耦合器調速和液粘離合器調速屬于機械調速，其他均屬于電氣調速。在高效調速方式中，串級調速僅適用于繞線型異步電動機，而變頻調速既適用于籠型，也適用于繞線型異步電動機9。

48、（1）變極調速：在電源頻率不變條件下，改變電動機的極對數(shù)，電動機的同步轉速也就會發(fā)生改變，從而改變電動機的轉速。如果極對數(shù)減少一半，同步轉速將提高一倍。屬于無附加轉差損耗的高效調速方式。通常用改變定子繞組的接法來改變極對數(shù)。這種電動機稱為多極電動機，其轉子均采用籠型轉子，其轉子感應的極對數(shù)能自動與定子相適應。由于極對數(shù)p是整數(shù)，它不能實現(xiàn)平滑調速，僅能實現(xiàn)有級調速。在供電頻率f為50Hz的電網(wǎng)，當p分別等于1、2、3、4時，相應的同步轉速n1為3000、1500、1000、750r/min。多極電動機的優(yōu)點是設備簡單、體積小、重量輕、運行可靠、運行效率高、控制線路簡單、容易維護，對電網(wǎng)無干擾、

49、初始投資低，主要用于各種機床及其他設備上。缺點是有級調速，而且調速級差大，從而限制了它的使用范圍，僅適合于按23 檔固定調速變化的場合。 （2）串極調速：串級調速是在繞線型感應電動機的轉子電路中串入一個與轉子電動勢相反的附加電動勢，用以減少轉子電流，降低轉子的轉矩，從而達到調速的目的。這時，轉子電路內不再串入外接附加電阻產(chǎn)生轉差損耗，而是將轉子的轉差功率回饋電網(wǎng)或機軸，是一種高效調速方式。串級調速的主要優(yōu)點是調速效率高，可實現(xiàn)無級調速，初始投資不大。但是由于受該種調速方式的附加電動勢獲得較難、對電網(wǎng)干擾大、調速范圍比較窄、功率因數(shù)較低等因素影響，特別是僅適用于繞線式轉子，使這種調速方式的推廣受

50、到一定的限制。 （3）變頻調速：變頻調速屬于無附加轉差損耗的高效調速方式，它主要通過改變電動機定子供電頻率來改變同步轉速進行調速。變頻調速具有平滑調速、調速范圍廣、效率高、啟動能耗低、動態(tài)響應速度快、調速精度高、操作簡便等優(yōu)點，且易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程控制自動化等特點。此外，在變頻裝置發(fā)生故障時可采取措施投入工頻運行，不會影響生產(chǎn)作業(yè)。由于其調速性能優(yōu)于其他調速方式，安裝場地條件又比較靈活，應用范圍廣泛，是市場需求增長最快的調速方式。 （4）電磁離合器調速：電磁滑差離合器調速主動適用于籠型異步電動機，主要依靠在異步電機的基礎上加裝電磁滑差離合器以及相應的控制裝置完成。從原理上看，電磁滑差離合器也是一

51、臺異步電機，它主要由電樞和磁極兩個旋轉部分組成。主要通過調節(jié)磁極的勵磁電流的大小改變氣隙磁感應強度，從而改變磁極從動軸的電磁轉矩來實現(xiàn)調速。該種調速方式調速范圍很小，且非線性嚴重，勵磁電流損失都轉化為熱耗，屬于低效調速方式，一般用于低壓電機且功率不大的場合。 （5）液力耦合器調速：液力耦合器調速是一種傳統(tǒng)的調速方式，主要應用在高壓電機領域。由于液壓油內摩擦并且輸出軸和輸入軸存在轉差，使這種調速方式出現(xiàn)嚴重的耦合損失和轉差損失。因而，這種調速方式具有能耗大、效率低、運行不可靠等缺點，并且由于該方法需要一整套供油系統(tǒng)，維護工作量很大。 在眾多調速方式中，變頻調速優(yōu)于以往任何一種交流調速方式，已使世

52、界范圍內的電氣傳動控制領域發(fā)生了根本性的變革，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣的高新技術，是異步電動機最理想的調速方法。 將變頻技術應用到恒壓供水系統(tǒng)中來，通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設定壓力值作比較，再通過控制器調節(jié)變頻器的輸出，無級調節(jié)水泵轉速，使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內。因此以變頻技術為核心的恒壓供水系統(tǒng)可以極大的提高供水效率，降低能耗。 3.3.2 電機水泵的選型水泵機組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運行，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。本文以某

53、小區(qū)的實際生活用水的數(shù)據(jù)進行選型，該小區(qū)生活用水具體要求為：（1）住宅小區(qū)的供水需要多臺水泵聯(lián)合供水，其流量達需到60.0m3/s，揚程在100m左右，管網(wǎng)中的壓大小大約在1.0MPS；（2）在多臺水泵聯(lián)合運行中設置一臺輔助泵，在用水需求過大是啟動；整個系統(tǒng)的供水壓力要求穩(wěn)定，尤其在切泵時水壓的波動平穩(wěn)；（3）該系統(tǒng)能實現(xiàn)自動運行，為方便檢修和應急，需具備手動控制功能，各主泵均能可靠地實現(xiàn)軟啟動；（4）具有完善的保護和報警功能；（5）系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能。根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設計流量和設計供水壓力，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺DL型立

54、式多級離心泵，型號80DL-6-50.4-14-120。圖 3-2 離心泵參數(shù)圖該離心泵是根據(jù)我國高層建筑給水和消防用水的需要而開發(fā)的新產(chǎn)品。其結構采用立式、分段式，根據(jù)現(xiàn)場的具體情況，泵的進、出水口可選擇0、-90、-180、-270四個方向安裝。產(chǎn)品特點：1、水力模型先進：效率高，性能范圍廣。2、結構新穎，運行可靠：取消了平衡鼓，其軸向力采用水力平衡，徹底解決了平衡鼓易銹蝕、易咬死、易磨損的問題，保證了運行更加可靠。3、更少的運行、維修費用：采用優(yōu)質機械密封，耐磨損、無泄漏、使用壽命長，故障率低，具有更少的運行維修費用。4、運行平穩(wěn)，噪音低：采用低轉速電機，使泵運行平穩(wěn)，噪音更低。5、立式

55、結構，占地面積小。技術參數(shù)：流 量：4.2-50.4m3/h；揚 程：24-240m；功 率：1.5-450kw；轉 速：1480r/min；口 徑：40-250；溫度范圍：0- 90；工作壓力：2.4Mpa。溫 度：80C。3.4 傳感器傳感器的選型原則是依據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境，如何合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。 （1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型 要進行具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面

56、的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。 在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 （2）靈敏度的選擇 通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的廠擾信號。 傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果