畢業(yè)論文基于PLC的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)定稿

1、基于PLC的自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要在傳統(tǒng)的學(xué)校供水系統(tǒng)中,由于用水高峰比較集中,使得供水系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。因此,有必要對供水系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用西門子S7-300 PLC和MM440變頻器為主控單元,構(gòu)建一個(gè)PLC自動(dòng)控制的變頻恒壓供水系統(tǒng),充分發(fā)揮PLC掃描精度高運(yùn)算能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),為學(xué)校供水系統(tǒng)提供了一套全新的方案。 本設(shè)計(jì)在學(xué)校供水系統(tǒng)的改造中得到了成功的應(yīng)用，不僅供水壓力穩(wěn)定，滿足學(xué)校用水需要，而且很好地顯示出節(jié)能、節(jié)水的良好效果。另外該設(shè)計(jì)采用的MM440系列變頻器和S7-300系列可編程控制器具有很好的性能，而且使用方便，價(jià)格適中，所以極具推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞: 變頻器 PLC控制 恒壓

2、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) PID控制AbstractIn the traditional water supply system in school, because the many users needs water during the rushing hour time, the efficiency of water supply system not stable, so it not be satisfied the demand of all students and teachers. Therefore, it is necessary to transform the water ma

3、nagement system. I describe the way to construct the follow-up pressure water supply system. Based on the PLC technology and frequency converter, it provides a new satisfactory pressure control solution for the water supply system by exerting the high scanning accuracy and the great operation capabi

4、lities of S7-300.This design is applied successfully in the reform of supplying water system in the school. The answer which satisfy the demands of water in the school; furthermore, it has effective in energy and doesnt waste the water. Those people who want to reform their supplying water system ca

5、n also use it. Moreover this design uses the MM440 series frequency changer and the S7-300 series programmable controller has the very good performance, moreover the easy to operate, the price is moderate, therefore has the promoted value extremely.Keywords: frequency converter, PLC control, follow-

6、up pressure, variable-speed control，PID control目錄摘要IAbstractII目錄III前言11 變頻控制理論概述31.1 變頻調(diào)速的概念3 轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系3保持的控制方式31.2 PID功能簡介41.3 恒壓供水閉環(huán)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)過程51.4 變頻器的節(jié)能功能8 降壓節(jié)能的原理8 從機(jī)械特性看壓降節(jié)能的原理8 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載91.5徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)102 供水系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)112.1 供水系統(tǒng)的具體要求112.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理112.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)供水特點(diǎn)122.4水壓控制信號(hào)算法處理132.5 變頻恒壓

7、供水控制方式比較和選擇132.6 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工作方式163 供水系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)183.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)18 供水系統(tǒng)主電路18 MM440變頻器簡介19 S7-300 PLC簡介20 供水系統(tǒng)控制電路213.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24 PLC梯形圖設(shè)計(jì)24 變頻器容量計(jì)算25 變頻器端口設(shè)置26 變頻器主要功能的預(yù)置264 系統(tǒng)維護(hù)及注意事項(xiàng)284.1 PLC注意事項(xiàng)284.2 變頻器注意事項(xiàng)314.2.1 變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法31 變頻器的接地314.3 變頻器與控制柜314.4 變頻器接線規(guī)則324.5 變頻器的維護(hù)33 通電前檢查334.5.2 變頻器的試運(yùn)行33

8、變頻器的維護(hù)33總結(jié)35致謝36參考文獻(xiàn)37前言在現(xiàn)代工業(yè)和經(jīng)濟(jì)生活中，隨著電子技術(shù)微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)作為高新技術(shù)節(jié)能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體化的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換問題，同時(shí)又要處理信息的收集交換和傳輸問題。在巨大電能轉(zhuǎn)換的功率部分要解決高電壓大電流的技術(shù)問題及新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，而在信息的收集變換和傳輸?shù)目刂撇糠?，則主要解決控制的硬件軟件問題。目前交流變頻調(diào)速主要發(fā)展方向?yàn)椋?.高水平的控制。矢量控制磁場控制轉(zhuǎn)矩控制模糊控制等高水平的控制技術(shù)已應(yīng)用在交流變頻調(diào)速中。2.開發(fā)清潔電能的交流器。隨

9、著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對環(huán)境問題的重視，不斷減少變頻器對環(huán)境的影響已經(jīng)是大勢所趨。盡可能降低網(wǎng)側(cè)和負(fù)載的諧波分量，減少對電網(wǎng)的公害和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清潔電能變換。3.結(jié)構(gòu)小型化。緊湊型的變頻系統(tǒng)要求功率和控制元件具有高的集成度。主電路中功率電路的模塊化，控制電路采用大規(guī)模集成電路和全數(shù)字控制技術(shù)。均促進(jìn)了變頻裝置結(jié)構(gòu)小型化。4.高集成化。提高集成電路技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量體積比得到進(jìn)一步提高。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，廣泛推廣變頻調(diào)速具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在工業(yè)生產(chǎn)中，能夠大大提高生產(chǎn)設(shè)備的工藝水平加工精度和工作效率，大大減小生產(chǎn)機(jī)械的體積和質(zhì)量，減少金屬耗用量，從而提

10、高產(chǎn)品的質(zhì)量。在生活生產(chǎn)過程中對風(fēng)機(jī)和水泵一類的負(fù)載，若采用變頻調(diào)速技術(shù)則可以顯著的節(jié)約人力、物力和財(cái)力。變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中占有十分重要的地位。變頻技術(shù)使頻率為可充分利用的資源。近年來，變頻調(diào)速技術(shù)獲得了飛速發(fā)展，取得了明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。在看到變頻技術(shù)如此優(yōu)越性后，讓我想到針對現(xiàn)實(shí)生活中用水高峰期出現(xiàn)高樓層供水困難這一問題，可以采用變頻調(diào)速技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有的供水系統(tǒng)。用水量增加，就提高帶動(dòng)水泵的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，提高流量；用水減少時(shí)，就減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速，把流量降下來，又省電又省錢。在有這個(gè)基本想法后，通過查閱有關(guān)資料和請教老師后，可以確定這種方法是解決供水困難問題的有效途徑之一。

11、構(gòu)思中，設(shè)想采用了變頻器、電機(jī)壓力傳感器液面?zhèn)鞲衅饕约翱刂凭€路組成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)工程人員人工開關(guān)驅(qū)動(dòng)水泵的電機(jī)，這樣又耗時(shí)又耗力。在采納指導(dǎo)老師的意見后，決定接受可編程控制器代替人力，由可編程控制器自動(dòng)控制電機(jī)的開/關(guān)。由此，我最終確定該畢業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)：第一部分論述變頻器相關(guān)內(nèi)容，分析恒壓供水系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)過程，并且在供水系統(tǒng)主要原理分析的基礎(chǔ)上,認(rèn)識(shí)變頻器最主要的功能：節(jié)能功能,詳細(xì)論述變頻器工作過程,明確變頻器各個(gè)使用端子的功能。第二部分論述恒壓閉環(huán)供水系統(tǒng)。介紹系統(tǒng)原理和與系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的內(nèi)容。第三部分論述軟件硬件部分相關(guān)內(nèi)容, 介紹PLC的相關(guān)知識(shí)。詳細(xì)論

12、述PLC設(shè)計(jì)語言。第四部分對整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的問題提出系統(tǒng)維護(hù)和解決方案，深入地了解供水系統(tǒng)在實(shí)際使用中出現(xiàn)的問題。1 變頻控制理論概述本設(shè)計(jì)由于采用到自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)，所以在此章先對變頻控制理論來一概述。1.1 變頻調(diào)速的概念 轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系三相交流異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為 （1-1） （1-2）式（1-2）中，表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速, 表示定子交流電源的頻率，表示磁極對數(shù)，表示轉(zhuǎn)差率，表示旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速。由式（1-2）可知，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速和輸入電流的頻率成正比，當(dāng)改變電流頻率時(shí)，可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之改變，達(dá)到調(diào)速的目的。保持的控制方式電動(dòng)機(jī)繞組中的感應(yīng)

13、電動(dòng)勢的大小是無法從外部加以控制的。定子繞組的阻抗電壓為 （1-3）當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，定子繞組阻抗壓降可以忽略不計(jì)，使定子相電壓與電動(dòng)勢相平衡則有 （1-4）在頻率較高時(shí)，只要保持電壓與頻率同步變化，就可以近似代替反電動(dòng)勢與頻率同步變化，從而確保在調(diào)速過程中，主磁通和電磁力矩不變。所以，變頻的同時(shí)必須變壓，這種控制方式稱為恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)，由于和都比較小，定子阻抗壓降與和相比，不能再忽略了，為了保證與的比恒定，可以人為地稍微把抬高一些，來近似補(bǔ)償定子壓降。1.2 PID功能簡介PID調(diào)節(jié)屬于閉環(huán)控制，是過程控制中應(yīng)用得十分普遍的一種控制方式。它是使控制系統(tǒng)的被控物理量能夠迅速而準(zhǔn)確地

14、無限接近于控制目標(biāo)的一種手段。在實(shí)行PID調(diào)節(jié)時(shí)必須至少有兩種控制信號(hào)：（1）目標(biāo)信號(hào) 通常也稱給定信號(hào)，是與被控物理量的控制目標(biāo)對應(yīng)的信號(hào)，用表示。（2）反饋信號(hào) 是通過傳感器測得的與被控物理量的實(shí)際 值對應(yīng)的信號(hào)，用表示。PID調(diào)節(jié)功能將隨時(shí)對與進(jìn)行比較，以判斷是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的控制目的。具體地說，它將根據(jù)兩者的差值，利用比例（P）積分（I）微分（D）的手段對被控物理量進(jìn)行調(diào)整，直至反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)基本相等，達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)為止。為了滿足用戶的需求，保證供水質(zhì)量，要求通過變頻器及其PID調(diào)節(jié)功能使供水管網(wǎng)的水壓保持恒定。具體地說：當(dāng)用戶的用水量增大時(shí)，使供水管網(wǎng)的水壓力下降，變頻器應(yīng)立

15、即提高輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)加速，以增大水泵產(chǎn)生水壓的能力，保持供水管網(wǎng)水壓的恒定。反之，當(dāng)用戶的用水量減少時(shí)，使供水管網(wǎng)的水壓力上升，變頻器應(yīng)立即降低輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)減速，以減少水泵產(chǎn)生水壓的能力，保持供水管網(wǎng)水壓的恒定。供水管網(wǎng)內(nèi)壓力的大小由壓力傳感器進(jìn)行測量。所以，在恒定控制系統(tǒng)中，的輸出信號(hào)XF應(yīng)該始終無限接近于目標(biāo)信號(hào)。為了是供水管網(wǎng)保持一定的壓力，將變頻器的輸出頻率及其頻率給定信號(hào)保持在一定范圍內(nèi)是必要的。令 （1-5） 式（1-5）中，稱為頻率給定信號(hào)；稱為放大倍數(shù)，也叫比例增益。 就是說，將放大了倍后再作為頻率給定信號(hào)，越大，則越小，越接近于。顯然，因?yàn)槟艿扔?，所以，能是無限接

16、近于卻不能等于。這說明，和之間總會(huì)有一個(gè)差值，這個(gè)差值稱為靜差，靜差值應(yīng)該越小越好。為了減少靜差，應(yīng)盡量增大比例增益，但由于系統(tǒng)有慣性，因此，太大了，當(dāng)XF隨著用戶用水量的變化而變化時(shí)，有可能一下子增大（或減少）了許多，使變頻器的輸出頻率很容易超調(diào)，于是又反過來調(diào)整，引起被控量忽大忽小，形成振蕩。為了消除系統(tǒng)的振蕩，引入了積分環(huán)節(jié)，其目的是：使給定信號(hào)的變化與乘積對時(shí)間的積分成正比，只要偏差不消除，積分就不停止，從而能有效地消除靜差。但積分時(shí)間太長，又會(huì)發(fā)生當(dāng)用水量急劇變化時(shí)，被控量難以迅速恢復(fù)的情況。解決這個(gè)問題就采取微分控制，微分控制是根據(jù)偏差變化率的大小，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而

17、縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，克服了因積分時(shí)間太長而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)。1.3 恒壓供水閉環(huán)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)過程圖1.1所示是變頻器調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在正常工況下的PID調(diào)節(jié)過程。圖1.1.a所示是用水量Q的變化情況；圖1.1.b所示是供水壓力P的變化情形，由于PID調(diào)節(jié)的結(jié)果，它的變化是很小的；圖1.1.c所示是PID的調(diào)節(jié)量, 只是在壓力反饋量與目標(biāo)值之間有偏差時(shí)才出現(xiàn)。在無偏差的情況下，；圖1.1.d所示是變頻器輸出頻率的變化情況。系統(tǒng)的工作情形如下：0段： 流量Q無變化，壓力P也無變化，PID的調(diào)節(jié)量為0，變頻器的輸出頻率也無變化；段： 流量Q增加，壓力P有所下降，PID產(chǎn)生正的調(diào)節(jié)量（為“+”）,變頻

18、器的輸出頻率上升；段： 流量Q不再增加，壓力P已經(jīng)恢復(fù)到目標(biāo)值，PID的調(diào)節(jié)量為0（=0）,變頻器的輸出頻率不再上升；段： 流量Q減少，壓力P有所增加，PID產(chǎn)生負(fù)的調(diào)節(jié)量（為“-”）,變頻器的輸出頻率下降；以后： 流量Q不再減少，壓力P又恢復(fù)到目標(biāo)值，PID的調(diào)節(jié)量為0（=0）,變頻器的輸出頻率不再下降。圖1.1 恒壓供水的正常工況a)流量 b)壓力 c)調(diào)節(jié)量 d)頻率圖1.2所示是流量過大或過小時(shí)的系統(tǒng)工況。當(dāng)用戶的用水流量過大或過小時(shí)，由于變頻器的輸出頻率要受到上限頻率和下限頻率的限制，使PID的調(diào)節(jié)功能受到制約，供水系統(tǒng)的壓力將無法保持恒定。1. 流量過大供水系統(tǒng)流量過大的工作情形如

19、下：0段：用水流量Q增加，但變頻器的輸出頻率尚未到達(dá)上限頻率，系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運(yùn)行，由于變頻器內(nèi)PID功能的調(diào)節(jié)作用，變頻器的供水流量能夠隨時(shí)滿足用水流量的需求，供水系統(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)，供水壓力也一直保持恒定；段：當(dāng)用水流量Q繼續(xù)增加到一定程度以后，系統(tǒng)將具有如下的工作特點(diǎn)：（1） 變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)上限頻率，水泵的轉(zhuǎn)速不可能再升高；（2） 變頻器的供水流量滿足不了用水流量的需求，管網(wǎng)壓力P（從而）將降低到下限壓力之下；（3） 變頻器的PID功能力圖增加變頻泵的供水流量，調(diào)節(jié)量不斷增加，超過了上限值；段：用水流量Q不再增加，壓力P（從而）也不再下降，但由于和目標(biāo)值之間始終存在偏差，PI

20、D中的積分環(huán)節(jié)將不斷地積分，從而調(diào)節(jié)量將繼續(xù)上升。圖1.2 流量過大或過小時(shí)的工況a) 流量b) 壓力c) 調(diào)節(jié)量d) 頻率2. 流量減小用水流量減小后，系統(tǒng)又進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，工作過程是：段：流量Q開始減少，壓力P也開始增加。在壓力（）上升至目標(biāo)壓力（）之前，PID的調(diào)節(jié)量仍為“+”，變頻器的輸出頻率仍為上限頻率。而當(dāng)壓力繼續(xù)上升時(shí)，PID的調(diào)節(jié)量開始變?yōu)樨?fù)值，變頻器的輸出頻率開始下降；3. 流量過小當(dāng)夜深人靜，用水量很小時(shí)的工作特點(diǎn)如以后所示：（1） 變頻器的輸出頻率下降到下限頻率后將不再繼續(xù)下降，水泵的轉(zhuǎn)速不可能再降低；（2） 供水流量超過了用戶的需求，管網(wǎng)壓力P將增大到超過上限值；（3

21、） 變頻器的PID功能力圖減少變頻泵的供水流量，調(diào)節(jié)量不斷減小，超過了下限值。1.4 變頻器的節(jié)能功能 降壓節(jié)能的原理異步電動(dòng)機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)與效率都較低。兩者之間又有一定的關(guān)聯(lián)，如圖1.3所示，功率因數(shù)越低（越大），則在有功電流相等的情況下，定子電流越大。結(jié)果是電動(dòng)機(jī)的銅損增加，效率降低。圖1.3 電流大小與功率因素 從機(jī)械特性看壓降節(jié)能的原理如圖1.4所示：圖1.4 降壓節(jié)能的原理a)額定電壓下運(yùn)行 b)降壓運(yùn)行（1）額定電壓下運(yùn)行的特點(diǎn) 是電動(dòng)機(jī)在額定電壓下運(yùn)行時(shí)的情形：曲線是額定電壓下的機(jī)械特性曲線，同步轉(zhuǎn)速為，臨界轉(zhuǎn)矩為，臨界轉(zhuǎn)差為，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩

22、時(shí)，額定工作點(diǎn)為N點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減輕為時(shí)，工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至Q點(diǎn)，轉(zhuǎn)速升高為。如上述，這時(shí)的功率因數(shù)和效率都較低。（1） 降低電壓后的運(yùn)行特點(diǎn) 異步電動(dòng)機(jī)在降低電壓后，其機(jī)械特性的特點(diǎn)是：臨界轉(zhuǎn)差不變，但臨界轉(zhuǎn)矩減小為，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小為，如圖4.b中之曲線所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為時(shí)的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至點(diǎn)。這時(shí)：一方面，電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩為，有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為E點(diǎn)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩與有效轉(zhuǎn)矩十分接近，則功率因數(shù)和效率趨于最佳狀態(tài)，減小了電流；另一方面，電壓也下降了。所以，輸入的電功率減小了，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載如圖1.5所示：圖1.5 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載a)低頻時(shí)的情形 b)低頻降壓時(shí)的情形（1

23、）在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)系統(tǒng)在額定工作點(diǎn)N運(yùn)行；（2）當(dāng)電壓與頻率成正比地下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如曲線所示。這時(shí)：同步轉(zhuǎn)速為；臨界轉(zhuǎn)矩為；有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為點(diǎn)；有效轉(zhuǎn)矩為；比額定轉(zhuǎn)矩有所減小；另一方面，二次方律負(fù)載的機(jī)械特性如曲線所示，拖動(dòng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至D點(diǎn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大幅下降為。由圖知<<，所以，功率因數(shù)和效率都很低。（3）如通過減小比而減小與對應(yīng)的電壓，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖5.b 中的曲線所示，則電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為點(diǎn)。與D點(diǎn)十分接近，從而提高了功率因數(shù)和效率，減小了運(yùn)行電流，同時(shí)，電壓也下降了許多，可以較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。這時(shí)候，由于工作點(diǎn)下移至

24、點(diǎn)，拖動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速將略下降為，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也略減小為。1.5徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)在供水管路中，水錘效應(yīng)具有很大的破壞作用，說明如下：（1）起動(dòng)時(shí)的水錘效應(yīng)：異步電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)時(shí)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所需時(shí)間只有0.25s。這意味著在0.25s的時(shí)間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有動(dòng)量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”。 壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪音，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應(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；反之，壓強(qiáng)過低，又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能

25、損壞閥門和固定件。（2）停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)：如果讓水泵切斷電源，使之自由停機(jī)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電機(jī)的慣性而使水泵急劇地停止。這也同樣會(huì)引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。（3）產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因：產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在起動(dòng)和制動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。因?yàn)樵谕蟿?dòng)系統(tǒng)中，決定加速過程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。水泵在直接起動(dòng)過程中，拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是很大的，所以，加速過程很快。（4）水錘效應(yīng)的消除：采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時(shí)間的預(yù)置來延長起動(dòng)過程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小。在停機(jī)過程中，同樣可以通過對降速時(shí)間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小。從而徹底消除了水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)的消除，無疑可大大延長水泵及管道

26、系統(tǒng)的壽命。2 供水系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)現(xiàn)在，國家日益強(qiáng)盛，人們生活生產(chǎn)過程中不免要大量消耗能源，經(jīng)濟(jì)的快速增長也加劇了能源的消耗量，隨著時(shí)光流逝，能源問題越來越突出。為此政府強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保，要求盡量節(jié)約能源，為可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。本人就為突出節(jié)能功效，設(shè)計(jì)了一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以用于學(xué)校宿舍樓供水網(wǎng)絡(luò)。由于學(xué)校宿舍樓比較集中，學(xué)生用水量最大，常常在用水高峰期時(shí)宿舍樓高層出現(xiàn)斷水現(xiàn)象。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供水量，保證管網(wǎng)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變量控制供水方式，從而達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的，滿足學(xué)校用水需要。2.1 供水系統(tǒng)的具體要求（1）水泵能自動(dòng)變頻軟起動(dòng) 4臺(tái)水泵自動(dòng)變頻軟起動(dòng)，并根據(jù)

27、用水量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)開泵臺(tái)數(shù)。（2）電控自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，4臺(tái)水泵自動(dòng)輪換變頻運(yùn)行，工作泵故障時(shí)備用泵自動(dòng)投入，可轉(zhuǎn)換自動(dòng)或人工手動(dòng)開停機(jī)。（3）設(shè)備具有缺相欠壓過壓短路過載等多種電氣保護(hù)功能，具有缺水保護(hù)功能。（4）有設(shè)備工作停機(jī)報(bào)警指示。2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一個(gè)電位器設(shè)定壓力（也可采用面板內(nèi)部設(shè)定壓力），采用一個(gè)壓力傳感器（反饋為420mA）檢測管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號(hào)送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個(gè)水量增加或減少信號(hào)，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。如果在一定的時(shí)間內(nèi)，壓力還是不足或過大，則通過變頻器做工頻/變頻切換起動(dòng)另一臺(tái)水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致，

28、由此構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。隨著用水量的減少，變頻器自動(dòng)減少輸出頻率或切除水泵，達(dá)到了節(jié)能的目的。變頻恒壓供水系統(tǒng)功能框圖如圖2.1所示。圖2.1 供水系統(tǒng)的功能框圖2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)供水特點(diǎn)1、恒壓供水能自動(dòng)24小時(shí)維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵，無級(jí)調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會(huì)造成管網(wǎng)破裂及水龍頭共振現(xiàn)象。 2、動(dòng)平滑，減少電機(jī)水泵的沖擊，延長了電機(jī)及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象。 3、采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過壓、過流、過熱等保護(hù)功能。 4、系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)定時(shí)供水,徹底實(shí)現(xiàn)無人值守自動(dòng)供水.控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警和

29、顯示功能,并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換,應(yīng)急供水。 5、系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量的變化來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)零流量時(shí),機(jī)組進(jìn)入休眠狀態(tài),水泵停止，流量增加后才進(jìn)行工作,節(jié)電效果明顯，比恒速水泵可節(jié)電23%-55%。 6、變頻恒壓供水設(shè)備不設(shè)樓頂水池，既減少建筑物的造價(jià)，又克服了水源二次污染，氣壓波動(dòng)大，水泵啟動(dòng)頻繁和建造水塔一次性投資大，施工周期長，費(fèi)用高等缺點(diǎn)。 7、整套設(shè)備只需一組控制柜和水泵機(jī)組，安裝非常方便，占地面積少。 8、本設(shè)備采用全自動(dòng)控制，操作人員只需轉(zhuǎn)換電控柜開關(guān)，就可以實(shí)現(xiàn)用戶所需工況，操作簡單。2.4水壓控制信號(hào)算法處理在該控制系統(tǒng)中，壓力信號(hào)的檢測采用壓力變送器

30、，變送器輸出信號(hào)為420mA電流或010V電壓，對應(yīng)水壓為0；通常情況下供水管網(wǎng)允許最低壓力為某一值P1，即管網(wǎng)最小設(shè)定值，不為0壓力，而正常工作條件下管網(wǎng)最大允許工作壓力為P2，假定兩者對應(yīng)的模擬電流為I1I2，則有如下函數(shù)關(guān)系： （2-1）在上式中，P為某一時(shí)刻時(shí)管網(wǎng)壓力。類似地，變頻器控制信號(hào)電流函數(shù)關(guān)系為 （2-2）2.5 變頻恒壓供水控制方式比較和選擇眾所周知，水泵消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即： （2-3）N：為水泵消耗功率；K：為比例系數(shù)水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但除用水高峰外，大部分時(shí)間流量較小，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變

31、頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達(dá)20%40%。目前國內(nèi)各廠家的供水設(shè)備電控柜，除采用落后的繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：（1） 邏輯電子電路控制方式：這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻工作狀態(tài)的方式。因此控制精度比較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試麻煩工頻泵啟動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力低，但成本比較低（2）單片機(jī)電路控制方式：這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)不同供水情況時(shí)調(diào)試比較麻煩，追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不是很高。（3）帶

32、PID回路調(diào)節(jié)器和/或可編程序控制器（PLC）的控制方式：此時(shí)變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)調(diào)速信號(hào)。（4）新型變頻調(diào)速供水設(shè)備針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控

33、制器的功能都綜合進(jìn)變頻器，形成了帶有各種應(yīng)用宏的變頻器，由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去對可編程控制器存儲(chǔ)容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓信號(hào)反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確不失信，可對該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單方便。從以上控制方式看，我發(fā)現(xiàn)新型變頻調(diào)速供水設(shè)備效率高，所以在本設(shè)計(jì)中我采用了這種方式。通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成420mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PID調(diào)節(jié)

34、器，經(jīng)運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較，得出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力上，當(dāng)用水量超過一臺(tái)泵的供水量時(shí)，通過PLC控制切換器進(jìn)行加泵。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨著變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。圖 2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)圖2.2為變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由MM440變頻器S7-300 PLC控制器空氣開關(guān)指示燈4臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)KEY-5m液位傳感器

35、和YZT耐震遠(yuǎn)傳壓力表等組成。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需求的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。供水設(shè)備控制4臺(tái)水泵，在這些水泵中，只有一臺(tái)變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開始時(shí)，先啟動(dòng)變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加，水壓降低時(shí)，傳感器將這一信號(hào)送入可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器，可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器則送出一個(gè)比用水量增大的信號(hào)，使變

36、頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值，仍不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器就發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵，啟動(dòng)一號(hào)備用泵作為變頻泵，如此類推。反之，當(dāng)用水量減少，變頻器的頻率達(dá)到最小值時(shí)，則發(fā)出減少一臺(tái)工頻泵的信號(hào)，其他泵依次類推。液位傳感器提供蓄水池中水位超過最低限制時(shí)的停機(jī)信號(hào)，當(dāng)這一信號(hào)可編程控制器時(shí)，可編程控制器發(fā)出指令斷開所以工作水泵，保護(hù)水泵。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程來講，要有模擬量輸入接口。由于帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無形中就

37、增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊PWM調(diào)制板，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入輸出接口的可編程控制器和一個(gè)PID回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器差不多。所以，在變頻器調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，PID控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水的不足之處，該設(shè)計(jì)采用新型變頻器，這些變頻器將PID調(diào)節(jié)器都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)。2.6 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工作方式該系統(tǒng)可以使用兩種控制方式：（1）手動(dòng)控制將手動(dòng)控制接通時(shí)，變頻器處于工作狀

38、態(tài)中，燈HL1亮。接觸器線圈KM1控制電動(dòng)機(jī)M1，接觸器線圈KM3控制電動(dòng)機(jī)M2，接觸器線圈KM5控制電動(dòng)機(jī)M3，接觸器線圈KM7控制電動(dòng)機(jī)M4。在變頻器控制面板上，根據(jù)實(shí)際需要，手動(dòng)按相對應(yīng)的起停按鈕，控制電動(dòng)機(jī)起停。（2）變頻器控制將變頻控制接通時(shí)，說明變頻器處于變頻工作狀態(tài)，燈HL1亮。變頻器傳統(tǒng)的補(bǔ)泵操作采用“循環(huán)軟起動(dòng)”控制模式,即當(dāng)1號(hào)泵變頻滿頻時(shí)（50Hz），1號(hào)泵切換為工頻運(yùn)行，再由變頻器起動(dòng)2號(hào)泵運(yùn)行。如果2號(hào)泵滿頻時(shí)（50Hz），2號(hào)泵切換為工頻運(yùn)行，1號(hào)泵繼續(xù)工頻運(yùn)行，再由變頻器軟起動(dòng)3號(hào)泵，讓變頻器控制3號(hào)水泵變頻運(yùn)行。依次類推，變頻器加泵就是以這種工作順序進(jìn)行。供水高

39、峰時(shí)若4臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行，即4號(hào)泵變頻，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)泵工頻，隨著供水量逐漸減小，變頻泵頻率逐漸降低，若頻率降至退泵頻率時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行退泵操作，先停1號(hào)泵。當(dāng)頻率繼續(xù)降至退泵頻率時(shí)，就停止2號(hào)泵。依次類推，最后由變頻器控制的變頻泵是4號(hào)泵。如果液位傳感器傳入一個(gè)最低水位限制信號(hào)，為了保護(hù)電機(jī)，則停止變頻器工作，線圈KA得電，斷開所有得電運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，故障指示燈HL3亮，工作狀態(tài)顯示停止的指示燈HL2亮。如果故障保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生，故障指示燈HL3亮。3 供水系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)主電路變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路如圖3.1所示。圖3.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路本系統(tǒng)的硬件電路，它由4臺(tái)

40、 15KW 離心水泵，一臺(tái)智能型電控柜（包括西門子變頻器PLC交流接觸器繼電器等）， 一套壓力傳感器 一套液位傳感器以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是S7-300（CPU313C）和MM440變頻器。3.1.2 MM440變頻器簡介 MM440變頻器由微處理器控制，采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極晶體管作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運(yùn)行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音，具有全面而完善的保護(hù)功能，為變頻器和電動(dòng)機(jī)提供了良好的保護(hù)。MM440變頻器具有默認(rèn)的工廠設(shè)置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的簡單的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)供電的理想變頻驅(qū)動(dòng)裝置。由于

41、MM440變頻器具有全面而完善的控制功能，在設(shè)置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級(jí)的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。MM440變頻器有以下特性：（1）易于安裝，易于參數(shù)設(shè)置和調(diào)試；（2）具有牢固的EMC設(shè)計(jì)；（3）可由IT電源供電；（4）對控制信號(hào)的響應(yīng)是快速和可重復(fù)的；（5）參數(shù)設(shè)置的范圍很廣，確保變頻器可對廣泛的應(yīng)用對象進(jìn)行配置；（6）電纜連接簡便；（7）具有多個(gè)繼電器輸出；（8）具有多個(gè)模擬量輸出（020mA）；（9）有六個(gè)帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為NPN/PNP接線；（10）有兩個(gè)模擬量輸入：AIN1010V,020mA和-10V至+10V,AIN2010V,020mA,兩個(gè)模擬輸入可以作為第7和第8個(gè)

42、數(shù)字輸入；（11）BiCo 技術(shù)；（12）采用模塊化設(shè)計(jì)，配置非常靈活；（13）脈寬調(diào)制的頻率高，因而電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪聲低；（14）具有詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和全面的信息功能；（15）有多種可選件供用戶選用，有用于與PC通信的通信模塊，基本操作面板，高級(jí)操作面板，用于進(jìn)行現(xiàn)場總線通信的ProfiBUS 通信模塊；（16）具有矢量控制性能；（17）具有U-f特性；（18）具有快速電流限制功能，避免運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘；（19）具有內(nèi)置的直流注入制動(dòng)；（20）具有復(fù)合制動(dòng)功能，改善了制動(dòng)特性；（21）具有內(nèi)置的制動(dòng)單元；（22）加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能；（23）具有PID控制功能的閉環(huán)控制

43、；（24）各組參數(shù)的設(shè)定值可以相互切換；（25）自由功能模塊；（26）具有動(dòng)力制動(dòng)的緩沖功能；（27）具有定位控制的斜坡下降曲線；（28）具有過電壓/欠電壓保護(hù)特性，具有變頻器過熱保護(hù)，具有接地故障保護(hù)，具有短路保護(hù)，具有電機(jī)過熱保護(hù)和PTC/KTY電動(dòng)機(jī)保護(hù)。3.1.3 S7-300 PLC簡介PLC專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由中央處理器（CPU）存儲(chǔ)器（RAM，ROM）輸入/輸出單元（I/O接口）電源及編程器幾大部分組成。S7-300是一種通用型的中型PLC，其具有模塊化，無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及易于掌握等特點(diǎn)，這使得它能適應(yīng)自動(dòng)化工程中的各種應(yīng)用場

44、合，執(zhí)行各種控制任務(wù)，因此其在實(shí)踐中成為一種既經(jīng)濟(jì)又可靠的控制裝置。S7-300PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，各種模塊能以不同的方式組合在一起，模塊式PLC由機(jī)架和模塊組成。品種繁多的CPU模塊，信號(hào)模塊和功能模塊能完成各種領(lǐng)域的自動(dòng)控制任務(wù)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇，更換合適的模塊。當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和更為復(fù)雜時(shí)，可以增加模塊，對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。簡單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的通信連網(wǎng)能力，使其應(yīng)用十分靈活。S7-300有各種不同性能檔次的CPU模塊可供使用。標(biāo)準(zhǔn)CPU提供范圍廣泛的基本功能，如指令執(zhí)行和CP模塊的通信，緊湊型CPU本機(jī)集成I/O，并帶有高速計(jì)數(shù)等技術(shù)功能。S7-300的CPU模塊集成

45、了過程控制功能，用于執(zhí)行用戶程序。每個(gè)CPU都有一個(gè)編程用的RS-485接口，有的還帶有集成的現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP接口或PtP串行通信接口，S7-300不需要附加任何硬件軟件和編程，就可以建立一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)；如果有PROFIBUS-DP接口，就可以建立一個(gè)DP網(wǎng)絡(luò)。S7-300有很高的電磁兼容性和抗振動(dòng)抗沖擊能力。其標(biāo)準(zhǔn)型的環(huán)境溫度為0到60攝氏度。通過系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能塊的調(diào)用，用戶可以使用集成在操作系統(tǒng)內(nèi)的程序，從而顯著地減少所需要的用戶存儲(chǔ)器容量，它們可以用于中斷處理等。3.1.4 供水系統(tǒng)控制電路Q0.0Q0.7為PLC輸出軟繼電器觸點(diǎn)，Q0.0Q0.2Q0.4Q0.6控制變

46、頻運(yùn)行電路；Q0.1Q0.3Q0.5Q0.7控制工頻運(yùn)行電路。按鈕SB1為自動(dòng)控制切換，按鈕SB2為手動(dòng)控制切換。當(dāng)切換在自動(dòng)模式時(shí)，由PLC控制水泵進(jìn)行變頻或工頻狀態(tài)的起動(dòng)切換停止運(yùn)行；當(dāng)切換在手動(dòng)模式時(shí)，通過按鈕SB3SB4SB5SB6分別起動(dòng)4臺(tái)水泵工頻運(yùn)行。KA為缺水保護(hù)電路的中間繼電器觸點(diǎn)，當(dāng)水池缺水或水位不足時(shí)，配合缺水保護(hù)斷開控制電路，切斷主電路，實(shí)現(xiàn)缺水保護(hù)作用。本系統(tǒng)PLC模塊內(nèi)由一片CPU313C組成。CPU313C有24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，具有9針MPI接口，擁有SIMATIC微型存儲(chǔ)卡。它擁有記數(shù)通道3條，最高可測頻率30kHz，有閉環(huán)控制功能，它的存

47、儲(chǔ)器卡擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量最大可達(dá)到4MB。PLC的I/O接線圖，如圖3.2所示。S7-300 PLC的I/O分配圖如表3.1所示。表3.1 PLC的I/0分配圖輸入地址輸入設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備I0.0自動(dòng)控制按鈕SB1Q0.0變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1的接觸器KM0I0.1手動(dòng)控制按鈕SB2Q0.1工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1的接觸器KM1I0.2電動(dòng)機(jī)M1過載保護(hù)熱繼電器FR1Q0.2變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M2的接觸器KM2I0.3電動(dòng)機(jī)M2過載保護(hù)熱繼電器FR2Q0.3工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M2的接觸器KM3I0.4電動(dòng)機(jī)M3過載保護(hù)熱繼電器FR3Q0.4變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3的接觸器KM4I0.5電動(dòng)機(jī)M4過載保護(hù)熱繼電器FR

48、4Q0.5工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M3的接觸器KM5I0.6急停按鈕SB3Q0.6變頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M4的接觸器KM6I1.0來自變頻器的上限頻率信號(hào)輸入Q0.7工頻啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M4的接觸器KM7I1.1來自變頻器的下限頻率信號(hào)輸入Q1.0工作狀態(tài)運(yùn)行指示燈HL1I1.2來自變頻器的缺水信號(hào)輸入Q1.1工作狀態(tài)停止指示燈HL2I1.3來自變頻器的故障保護(hù)輸入Q1.2故障指示燈HL3I2.0電動(dòng)機(jī)M1啟動(dòng)按鈕SB3Q1.3急停斷閘繼電器KAI2.1電動(dòng)機(jī)M2啟動(dòng)按鈕SB4I2.2電動(dòng)機(jī)M3啟動(dòng)按鈕SB5I2.3電動(dòng)機(jī)M4啟動(dòng)按鈕SB6I2.4電動(dòng)機(jī)M1停止按鈕SB7I2.5電動(dòng)機(jī)M2停止按鈕SB8I2.6電動(dòng)機(jī)

49、M3停止按鈕SB9I2.7電動(dòng)機(jī)M4停止按鈕SB10圖3.2 PLC的I/O接線圖3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PLC梯形圖設(shè)計(jì)梯形圖設(shè)計(jì)如圖3.3所示，梯形圖分為三部分：變頻控制電機(jī)部分、斷水保護(hù)部分、手動(dòng)控制部分。圖3.3 梯形圖設(shè)計(jì) 變頻器容量計(jì)算對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足下列三項(xiàng)要求：1）滿足負(fù)載輸出要求，即 (3-1)2) 滿足電動(dòng)機(jī)容量要求，即 (3-2)3）滿足電動(dòng)機(jī)電流要求，即 (3-3) 變頻器端口設(shè)置端口設(shè)置如表3.2所示：表3.2 變頻器端口設(shè)置表端口功能說明端口功能說明9、28端24V直流電源端14、15端電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)輸入端5端壓力傳感器輸入信號(hào)端24端上限頻率輸出端1

50、9端變頻器故障保護(hù)輸出端25端下限頻率輸出端22端缺水信號(hào)輸出端5、6、7、8端來自PLC控制信號(hào)輸入端 變頻器主要功能的預(yù)置雖然水泵對系統(tǒng)調(diào)速的精度要求不高，但要使供水系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，工作可靠，就必須正確設(shè)置變頻器的各種性能。變頻器功能的設(shè)定通過變頻器操作面板上的相關(guān)按鍵確認(rèn)。（1）頻率功能的預(yù)置最高頻率 水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定頻率的，其最高頻率只能與額定頻率相等，即max =N = 50HZ。上限頻率 一般來說，上限頻率以等于額定頻率為宜。但有時(shí)也可以預(yù)置得略低一些，原因有二：一是變頻器

51、內(nèi)部有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，同在50HZ的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電動(dòng)機(jī)的負(fù)載；二是變頻調(diào)速系統(tǒng)在50HZ下運(yùn)行時(shí)，還不如直接在工頻下運(yùn)行，可以減少變頻器本身的損失。因此，將上限頻率預(yù)置為49 HZ或49.5 HZ是適宜的。下限頻率 在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低，會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程，形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，下限頻率應(yīng)定為2530 HZ。起動(dòng)頻率 水泵在起動(dòng)時(shí)，如果從0 HZ開始起動(dòng)，水泵基本沒有壓力輸出，為減少調(diào)節(jié)時(shí)間，應(yīng)預(yù)置起動(dòng)頻率值為1520 HZ，即設(shè)置變頻器PID輸出值的下限為最大值的30%40%。升速降速時(shí)間 由于水泵電動(dòng)機(jī)不需頻

52、繁的起停，對于起停時(shí)間無嚴(yán)格要求。整定變頻器的升降速時(shí)間時(shí)主要考慮升降速時(shí)間過短，變頻器可能因過流或過壓而跳閘；升降速時(shí)間過長，則會(huì)使變頻器調(diào)速系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，造成管路中欠壓或超壓時(shí)間過長，滿足不了恒壓供水要求。因此，升降速時(shí)間的確定，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況來決定。4 系統(tǒng)維護(hù)及注意事項(xiàng)4.1 PLC注意事項(xiàng)1. PLC系統(tǒng)正常工作的保證是要有一個(gè)良好的工作環(huán)境。通常應(yīng)滿足以下條件：（1）環(huán)境溫度約在055攝氏度，環(huán)境溫度過高或過低，使PLC長期處于極限溫度下工作，會(huì)影響PLC工作的穩(wěn)定性和可靠性。應(yīng)而PLC安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源。PLC安裝在控制柜時(shí)，柜的上下有通風(fēng)散熱的百葉窗，必要時(shí)應(yīng)安裝電風(fēng)扇降溫

53、；注意不要把發(fā)熱量大的元器件如變壓器，穩(wěn)壓電源等放在PLC下方。PLC四周應(yīng)留有一定的空間供通風(fēng)散熱用。（2）PLC允許的相對濕度一般在35%-80%，溫度太高不僅使漏電流增大影響絕緣性能，而且直接影響模擬量輸入輸出裝置的精度，必要時(shí)可設(shè)置小加熱器或夜間不切斷電源。（3）周圍不應(yīng)有導(dǎo)電塵埃，油性物或有機(jī)溶劑，腐蝕性氣體。以防銹蝕元器件，造成絕緣減低，嚴(yán)重漏電，局部短路等故障，甚至損壞設(shè)備。（4）PLC能承受的振動(dòng)和沖擊有一定的規(guī)定，振動(dòng)過大會(huì)引起插接件松動(dòng)。為了減少振動(dòng)和沖擊，可將PLC控制柜與振動(dòng)和沖擊源分開，或用抗震墊來固定PLC控制柜。2. 電源輸入輸出接線是外部干擾入侵PLC的重要途徑

54、，應(yīng)采取相應(yīng)的抗干擾措施。（1）抑制電源系統(tǒng)引入的干擾電源是PLC引入干擾的主要途徑之一。PLC應(yīng)盡可能取用電壓波動(dòng)較小，波形畸變較小的電源，這對提高PLC的可靠性有很大的幫助。PLC的供電線路應(yīng)與其他大功率用電設(shè)備或強(qiáng)干擾設(shè)備分開。在干擾較強(qiáng)或可靠性要求很高的場合，對PLC交流電源系統(tǒng)可采用的抗干擾措施有以下幾種方法：在PLC電源的輸入端加接隔離變壓器，由隔離變壓器的輸出端直接向PLC供電，這樣可抑制來自電網(wǎng)的干擾。隔離變壓器的電壓可取1：1，在一次和二次繞組之間采用雙屏蔽技術(shù)，一次屏蔽層用漆包線或銅線等非導(dǎo)磁材料繞一層，注意電氣上不能短路，并接到中性線；二次則采用雙絞線，雙絞線能減少電源線

55、間的干擾。 在PLC電源的輸入端加接低通濾波器可濾去交流電源輸入的高頻干擾和高次諧波。在干擾嚴(yán)重場合，可同時(shí)使用隔離變壓器和低通濾波器的方法，通常低通濾波器先與電源相接，低通濾波器輸出再接隔離變壓器；也可同時(shí)使用帶屏蔽層的電壓扼流圈和低通濾波器的方法。PLC的電源和PLC輸入/輸出模塊用電源應(yīng)與被控系統(tǒng)的動(dòng)力部分，控制部分分開配線，電源供電線的截面應(yīng)有足夠的余量，并采用雙絞線。條件許可時(shí)，PLC可采用單獨(dú)的供電回路，以避免大容量設(shè)備的起停對PLC的干擾。系統(tǒng)的動(dòng)力線應(yīng)足夠粗，以降低大容量異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的線路電壓降，且動(dòng)力線要遠(yuǎn)離PLC裝置20CM以上。外部的輸入電路用的外接輸入電路用的外接直流電源最好采用穩(wěn)壓電源。（2）抑制輸入輸出電路引入的干擾為了抑制輸入輸出信號(hào)傳輸線引