變頻恒壓供水系統(tǒng)-畢業(yè)設(shè)計

/綜合實訓(xùn)報告實訓(xùn)項目：系部：電氣工程系專業(yè)：班級：學(xué)號：姓名：同組成員：指導(dǎo)教師：日期：

摘要隨著社會的發(fā)展，恒壓供水越來越重要。本系統(tǒng)以PLC與變頻器控制水泵工作，根據(jù)壓力給定的理想值信號及管網(wǎng)水壓的反饋信號進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。文中重點敘述了變頻節(jié)能原理，恒壓供水原理及PID控制方式。并提供控制系統(tǒng)硬件和控制軟件，經(jīng)現(xiàn)場模擬調(diào)試成功，實現(xiàn)運行可靠、節(jié)能、低噪，維護(hù)簡單等效果。恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時，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。共三臺電機(jī)，其中由一臺變頻器拖動2臺電動機(jī)的起動、運行與調(diào)速，1臺電機(jī)備用。控制系統(tǒng)中采用德國SIEMENS公司的S7-300可編程控制器來控制水泵電機(jī)的投入臺數(shù)及運行方式；同時利用其中的數(shù)字PID控制器，由FB41將壓力給定值與測量值的偏差進(jìn)行處理，實時控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(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)、過載保護(hù)功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機(jī)的使用壽命關(guān)鍵詞：恒壓供水；PLC控制；閉環(huán)PID

目錄摘要…………………….1一：引言……………..二：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)簡介……………………...1.恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義……………………..2.恒壓供水系統(tǒng)的特點………………..三：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析……………...1.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成…………………….2.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論模型…………….四：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計與選型………...1.變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計……………2.變頻恒壓供水系統(tǒng)器件選型…………………..1）可編程邏輯控制器（plc）簡介……2）變頻器簡介………………….3)變頻器與plc的連接…………………..4)壓力傳感器的簡介……………………..3.變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計…………4.變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計…………………..1)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計…………………..5.PID設(shè)計………………1）PID控制…………………….五：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)調(diào)試……………………六：總結(jié)…………………………..七：研究愿望………………………..參考文獻(xiàn)…………………附件………………………..致謝詞………………..

一：引言隨著社會經(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，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。而我們國家是個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、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，自動化程度低。而其中的老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當(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，依賴擋板和閥門的阻力調(diào)節(jié)水流量。這種靠水的勢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；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，己是迫在眉睫。同時隨著現(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)域得以運用，實現(xiàn)了水泵電機(jī)無級調(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)代自動化控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無疑為現(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)開發(fā)的全自動恒供水系統(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。變頻恒壓供水系統(tǒng)是利用變頻器、PLC等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐等，實現(xiàn)恒壓供水。通過對水泵的智能變頻調(diào)速控制不僅能實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且有利于實現(xiàn)供水的自動控制，遠(yuǎn)程監(jiān)測，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對水的壓力的需求。本文介紹的恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程序控制器進(jìn)行邏輯控制,采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件,時刻跟蹤管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化,經(jīng)PID運算,通過可編程序控制器控制變頻與工頻切換,自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水,在保持恒壓下達(dá)到控制流量的目的。本文首先對供水系統(tǒng)的特性和變頻調(diào)速的原理進(jìn)行介紹，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行研究，通過學(xué)習(xí)德國SIEMENS公司的S7-300的硬件及其編程語言，做出控制用的相關(guān)程序。二：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)簡介1.恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我國泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計中忽視動能經(jīng)濟(jì)觀點以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動能消耗在水泵、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。

以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與一體。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，方便的實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(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)計該系統(tǒng)，對于提高企業(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)實意義。2.恒壓供水系統(tǒng)的特點變頻頻恒壓供水系統(tǒng)在水量增加時，變頻器頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應(yīng)增大；用水量減少時，變頻器頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量亦相應(yīng)減小，保證了供水效率用戶對水壓和水量的要求，同時達(dá)到了提高供水品質(zhì)和供水效率的目的；采用該設(shè)備不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備。

變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要特點：

①:均配有穩(wěn)壓泵或穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，在用水量小到一定值時，主泵可停止運轉(zhuǎn)，減少水泵電機(jī)的機(jī)械磨損并且節(jié)約電能。與傳統(tǒng)供水方式相比變頻恒壓供水能節(jié)能30%-60%。

②:結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝快，投資省，運行穩(wěn)定，無污染，效率高。

③:配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。④:運行合理，由于一天內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速下降，軸上的平均扭矩和磨損減少，水泵的壽命將大為提高。⑤:由于能對水泵實現(xiàn)軟停和軟起，消除了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。

⑥:采用單片機(jī)，程序靈活多變，精度高，可靠性強(qiáng)，反映速度塊，操作簡便，省時省力。

三：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析1.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。圖1-1水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。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，為了保證水壓反饋信號值的準(zhǔn)確、不失值，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。2.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實現(xiàn)出口總管

網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可

以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，

恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上

。

圖1-2從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓

力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量

和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率

使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，

直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。四：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計與選型1.變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制柜，壓力傳感器，異步電動機(jī)及水泵組成，由此構(gòu)成一個壓力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器將管道中的水壓值變換成電信號(4~20mA)，送入系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字PID控制器進(jìn)行比較，其偏差值經(jīng)控制運算后，去控制變頻器的輸出頻率，通過上位機(jī)對當(dāng)前壓力信號的反應(yīng)，再由PLC控制三臺水泵電機(jī)在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間切換，改變?nèi)_水泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)?？刂撇糠质且缘聡鳶IEMENS可編程序控制巡檢綜合判定，控制輸出三個邏輯過程。電氣部分包括對水泵電機(jī)，變頻器的啟器S7-300為核心，實現(xiàn)信號采集，動、停止，以及故障檢測，指示燈的控制，S7-300據(jù)有豐富的指令系統(tǒng)，并且依托STEP7-V5.3良好的編程界面，很方便程序編制和現(xiàn)場調(diào)試。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。傳動裝置用了富士變頻器，適用于異步電機(jī)無級調(diào)速控制。該變頻器的輸出控制方式為恒壓頻比以及IGBT大功率晶體管模塊。其優(yōu)點之一是具有高的切換頻率，可輸出低諧波分量的正弦波，在低速時電機(jī)有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)的損耗和噪音，減少了電機(jī)運行時的溫升。變頻器可將輸出頻率在控制范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，控制精度為0.1Hz，從而達(dá)到電機(jī)依據(jù)負(fù)載的變化連續(xù)平滑調(diào)速，減輕了電機(jī)的運轉(zhuǎn)抖動。由于變頻調(diào)速實現(xiàn)異步電機(jī)軟起動，降低電網(wǎng)的損耗提高了電機(jī)運行時的cosφ中，以致于可以省去為改善功率因數(shù)的電容補(bǔ)償以及相應(yīng)控制設(shè)備。傳感器選用了設(shè)計中需要測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，還可以將信號送到控制器。外圍設(shè)備主要包括執(zhí)行設(shè)備，如水泵、接觸器、按鈕、選擇開關(guān)、電流互感器等設(shè)備，由于外圍設(shè)備種類較、型號較雜，且不是本設(shè)計的技術(shù)難點，故對其選型說明簡述至此。2.器件的選型及介紹1）：可編程邏輯控制器（plc）簡介S7-300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB,SFB,FC或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批量輸出。S7-300PLC是模塊式的PLC，本設(shè)計主要用得的有以下部分：①中央處理單元（CPU）各種CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有狀態(tài)故障指示燈、模式開關(guān)、24V電源端子、電池盒與存儲器模塊盒。②信號模塊（SM）信號模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的電信號電平匹配。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。模擬量輸入模塊可以輸入熱電阻、熱電偶、DC4～20mA和DC0～10V等多種不同類型和不同量程的模擬信號。每個模塊上有一個背板總線連接器，現(xiàn)場的過程連接到前連接起的端子上。本設(shè)計主要用到的是模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。③功能模塊（FM）功能模塊主要用于對實時性和存儲容量要求高的控制任務(wù)，例如計數(shù)器模塊、快速/慢速進(jìn)給驅(qū)動位置控制模塊、電子凸輪控制器模塊、步進(jìn)電動機(jī)定位模塊、伺服電動機(jī)定位模塊、定位和連續(xù)路徑控制模塊、閉環(huán)控制模塊、工業(yè)標(biāo)識系統(tǒng)的接口模塊、稱重模塊、位置輸入模塊、超聲波位置解碼器等。圖4.1PLCI/O點及地址分配圖PLC的接線如圖附錄A所示，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具備的輸入/輸出點數(shù)，名稱及地址編號如下表4.2所示。名稱地址編碼名稱地址編碼輸入信號輸出信號水位上限I0.01號水泵工頻運行Q0.0水位下限I0.11號水泵變頻運行Q0.1變頻器報警I0.22號水泵工頻運行Q0.2消鈴按鈕I0.32號水泵變頻運行Q03試驗按鈕I0.43號水泵工頻運行Q0.4變頻器啟動I0.4高低液位報警Q0.5變頻器停止I0.5變頻器報警Q0.6報警聲Q0.7表4.2I/O點及地址分配2.變頻器簡介1）變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機(jī)的變速運行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2）變頻器的選型（1）：控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時不要認(rèn)為檔次越高越好，其實只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實惠。（2）：變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補(bǔ)充。①從電流的角度：

大多數(shù)變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機(jī)功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機(jī)不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動大多是多電動機(jī)傳動。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。②從效率的角度：

系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：

變頻器功率值與電動機(jī)功率值相當(dāng)時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。在變頻器的功率分級與電動機(jī)功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動機(jī)的功率。

當(dāng)電動機(jī)屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。

經(jīng)測試，電動機(jī)實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護(hù)動作。

當(dāng)變頻器與電動機(jī)功率不相同時，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。3）.變頻器與PLC的連接圖4.3-1變頻器變頻器與PLC的連接如圖4.3-2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)動方向不對，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，以此來設(shè)定頻率；FWD端子為正轉(zhuǎn)運行/停止命令端子，端子FWD-CM間：閉合（ON），正轉(zhuǎn)運行；斷開（OFF），減速停止，此端子有PLC輸出點控制；接點輸入公共端CM為接點輸入信號的公共端子；X1為選擇輸入1端子，作為報警復(fù)位命令信號端子；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警端子；晶體管輸出公共端CME，為晶體管輸出信號的公共端子，端子CM和11在變頻器內(nèi)部相互絕緣；可選信號輸出繼電器端子Y5A,Y5C,為變頻器報警輸出端子。圖4.3-2PLC與變頻器的連接4）.傳感器

的簡介傳感器的作用是將壓力、溫度等非電量的物理信號轉(zhuǎn)換成電量信號，以便后續(xù)電路進(jìn)行處理。在此系統(tǒng)中，傳感器將供水管中的壓力轉(zhuǎn)換成電量信號后，傳送到PLC的特殊功能模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后傳給變頻器控制電動機(jī)。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。并且壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和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，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗。在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用PA表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。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。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用PI表示。即PI=PA-P0由于工程上需測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量的值稱為表壓力。顯然當(dāng)絕對壓力值PA小于大氣壓力值P0時，表壓力為負(fù)值，所測值稱為負(fù)壓力或稱真空壓，它的絕對值稱為真空度。壓力在國際單位制中的單位是牛頓/平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕(Pa)，工業(yè)上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作為壓力的單位。設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠(yuǎn)傳壓力表。可就地顯示壓力值，還可以將信號送到控制器。3.變頻恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)主電路的設(shè)計①供水系統(tǒng)的主電路圖

結(jié)合實際情況，本論文的恒壓供水系統(tǒng)的主電路如圖4.

3所示。系統(tǒng)共有三臺電機(jī)，分別為Ml、M2、M3。其中Ml、

M2均可以在工頻或變頻兩種方式下運行，而M3只能工頻運行。每臺電機(jī)都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)。空氣開關(guān)的容量依據(jù)大電機(jī)的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)的電動機(jī)Ml、M2，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機(jī)的過流過載保護(hù)，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來確定。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行，KM2、KM4控制M1、M2的變頻運行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機(jī)的容量適當(dāng)選擇。FR1、FR2、FR3為三臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器，QS1、QS2分別為變頻器和水泵電機(jī)的主電路隔離開關(guān)，F(xiàn)U為主電路的熔斷器，是作為主電路短路保護(hù)用的。VF為通用變頻器。圖4.3供水系統(tǒng)主電路圖變頻器主電路電源輸入端子(R、S、T)經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U、V、W)經(jīng)接觸器接至三相電動機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U、V、W)的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機(jī)，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機(jī)旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進(jìn)行。4.變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計圖4.4為本系統(tǒng)的控制電路圖?？刂齐娐分杏歇毩⒌淖詣涌刂撇糠趾褪謩涌刂撇糠?，具有方便的手動和自動切換功能，由控制電路中的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA來實現(xiàn)。SB1、SB3、SB5分別為1號泵電機(jī)、2號泵電機(jī)、3號泵電機(jī)的啟動按鈕。SB2、SB4、SB6分別為1、2、3號泵電機(jī)的停止按鈕。HL1、HL3、HL5分別為三個泵的工頻運行指示燈，HL2、HL4為1，2號泵電機(jī)的變頻運行指示燈，HL6、HL7分別為水位下限和變頻器故障報警指示燈，HA為故障電鈴。圖4.4控制系統(tǒng)電路圖其控制線路工作過程如下：A．手動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動位置時，啟動電機(jī)，合上電源開關(guān)Q1、Q2，按下啟動按鈕SB1，接觸器KM1的線圈得電，接觸器KM1的主觸電立即閉合，電動機(jī)M1接通電源開始全壓啟動，同時KM1的輔助常開觸電也閉合，使KM1吸引線圈經(jīng)兩條路通電。這樣，當(dāng)松手SB1復(fù)位跳開時，KM1由于自鎖正常運行。要使電動機(jī)M1停止運轉(zhuǎn)，只要按一下停止按鈕SB2即可。按下SB2，線圈KM1斷電釋放，則KM1的主觸點斷開電源，同時輔助常開觸電也斷開，控制回路解除自鎖，電動機(jī)M1自停車到轉(zhuǎn)速為零。電動機(jī)M2、M3同理。在手動方式下，水泵只能工頻運行，無法變頻運行。B．自動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動位置時，接觸器的通斷由PLC程序控制，變頻器啟動，合上電源開關(guān)Q1、Q2，啟動PLC，開始運行程序，當(dāng)Q0.0有輸出時，KM1的線圈得電，KM1的主觸電閉合，水泵1開始工頻運行；當(dāng)Q0.1有輸出時，KM2的線圈得電，KM2的主觸電閉合，水泵1開始變頻運行。其他水泵的動作同理。1）.控制系統(tǒng)主程序設(shè)計PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動、停止程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。程序流程圖如圖4.4-1所示。圖4.4-1主程序流程圖①.系統(tǒng)初始化程序：在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網(wǎng)壓力、電機(jī)頻率)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值。②.水泵電機(jī)切換程序：水泵電機(jī)切換是根據(jù)不同時段管網(wǎng)壓力大小和壓力設(shè)定值的比較結(jié)果來進(jìn)行切換機(jī)的。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)有四個工作狀態(tài)，即1號電機(jī)變頻運行；1號電機(jī)工頻運行，2號電機(jī)變頻運行（三號電機(jī)工頻運行）；2號電機(jī)變頻運行；1號電機(jī)變頻運行，2號電機(jī)變頻運行（三號電機(jī)工頻運行）。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這四種工作狀態(tài)之中，當(dāng)管網(wǎng)壓力發(fā)生變化時，四種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這四種工作狀態(tài)也對應(yīng)著四個切換過程。在水泵電機(jī)換機(jī)程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這幾個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。由于電機(jī)切換涉及到不同時段管網(wǎng)壓力大小和設(shè)定值的比較計算；電機(jī)反饋頻率的大小比較計算，因此在切換程序設(shè)計中還應(yīng)包含模擬量(壓力、頻率)比較計算和邏輯運算程序設(shè)計；同時要考慮電機(jī)根據(jù)“先起先停”的原則，使各泵平均運行以避免一臺泵長期工作，所以切換是根據(jù)電機(jī)運行時間的長短來自動完成不同電機(jī)間的切換；泵在啟動時有軟啟動功能，即在啟動前變頻器頻率要復(fù)位。③.報警程序報警程序是依據(jù)電動機(jī)的熱繼電器動作進(jìn)行設(shè)計的，當(dāng)電動機(jī)過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為PLC的輸入條件。對于電動機(jī)的熱繼電器輸入，報警指示輸出既需要三個端口顯示哪一臺電機(jī)故障，也需要一個輸出端子進(jìn)行蜂鳴器報警輸出。可以根據(jù)實際情況增加相應(yīng)的報警功能。5.PID設(shè)計1）.PID控制PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應(yīng)用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖4.6所示。圖4.6PID控制原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差[12]e(t)=y(t)一r(t)（4-1）將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。PID控制器各個部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：①比例增益部分(P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應(yīng)系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。②積分部分(I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關(guān)，還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應(yīng)。③微分部分(D)可以對輸入的變化趨勢做出反應(yīng)，即它的輸入與輸出的大小無關(guān)，但與輸入量的導(dǎo)數(shù)成線性關(guān)系。它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時間，用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個零點，如果使用不當(dāng)會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。五：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)調(diào)試計算機(jī)（上位機(jī)）作為編程通過專用通信電纜與PLC（下位機(jī)）進(jìn)行通信。在連接或斷開專用電纜時，應(yīng)關(guān)閉控制電源；同時須注意專用電纜接插頭插入的位置，否則易損壞上述儀器設(shè)備。在進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試時應(yīng)逐級調(diào)試，即先軟件，再硬件；先弱電，再強(qiáng)電；先低壓，再高壓；先輸入，再輸出；先開環(huán)，再閉環(huán)；先電氣，再機(jī)械。PLC的輸入和輸出的公共端COM必須分開，不能直接連接。六：總結(jié)本文針對我國中小城市水廠供水的特點，設(shè)計一套變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等。采用一臺變頻器拖動2臺電動機(jī)的起動、運行與調(diào)速。壓力傳感器采樣管網(wǎng)輸出點的壓力信號，壓力傳感器輸出的是4~20mA的電信號，將這個輸出與PLC的模擬量輸入端相連，同時變頻器輸出電機(jī)頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個信號經(jīng)PID運算，發(fā)出指令，對水泵電機(jī)的投入、停止，工頻和變頻之間的切換進(jìn)行控制。采用模塊化的編程方式進(jìn)行了PLC程序的設(shè)計、編寫、調(diào)試，使系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能、程序控制算法都基本達(dá)到系統(tǒng)工藝的要求。恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機(jī)的機(jī)械使用壽命。實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。七：研究愿望本次設(shè)計內(nèi)容主要包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、恒壓供水系統(tǒng)的電氣實現(xiàn)、系統(tǒng)的硬件選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和PLC軟件編程等。由西門子S7-300系列PLC、變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統(tǒng),充分發(fā)揮了PLC內(nèi)置的PID運算模塊,自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、投入使用泵數(shù),達(dá)到恒壓供水的目的;通過泵號管理程序,實現(xiàn)泵號自動切換,使每臺水泵工作狀況基本相同,提高設(shè)備利用率并減少維修費用;同時通過變頻器自帶保護(hù)功能可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷。實際運行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、便于維護(hù)和高節(jié)能性等特點,具有很大的應(yīng)用價值。隨著各方面技術(shù)的發(fā)展