控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、PLC控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：本論文分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究和比較，采用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)恒壓供水和數(shù)據(jù)傳輸，然后用數(shù)字PID對(duì)系統(tǒng)中的恒壓控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本論文的變頻恒壓供水系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)許多實(shí)際的供水控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用，并取得穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。關(guān)鍵字：變頻調(diào)速；恒壓供水；PLC；PID。第1章 緒論1.1 城市供水系統(tǒng)的要求眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特

2、征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)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，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式，以下就逐一分析。(1) 恒速泵+水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵

3、處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚(yáng)程的條件下，水泵處于高效能區(qū)。這種方式顯然比前種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開(kāi)、停時(shí)間比、開(kāi)/停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要；而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問(wèn)題。而且在使用過(guò)程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動(dòng)的開(kāi)、停，這樣水泵的開(kāi)、停，將完全由人操作，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。 (2) 恒速泵十高位水箱的供水方式這

4、種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過(guò)大，所以供水范圍較小。一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開(kāi)、停，將完全由人工操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。(3)變頻調(diào)速供水方式這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi).變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種:水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給

5、水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小，整個(gè)給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時(shí)，由于管路能耗較大，在低峰用水時(shí)，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。出口變壓控制水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。是將每日24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形

6、式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。 最不利點(diǎn)恒壓控制最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處;使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠(yuǎn)，壓力信號(hào)的傳輸在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作.當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水

7、壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)水泵是工頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問(wèn)題。同時(shí)由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見(jiàn)變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運(yùn)行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一

8、定差距。氣壓罐方式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量?jī)H占其總?cè)莘e的1/3-1/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過(guò)于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和

9、明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。由于城市供水量不斷加大，對(duì)城市管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。1.2 PLC變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我國(guó)泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類(lèi)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(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類(lèi)型和質(zhì)量上存在的一些問(wèn)題等等原因，致使在技術(shù)水平

10、、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、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(lèi)負(fù)載中占了相當(dāng)?shù)谋壤＿@一方面是由于我國(guó)居民多，用水量大，造成用電量大:另一方面是因?yàn)槲覈?guó)供水設(shè)備工作效率低，控制方式不夠科學(xué)合理。造成不必要的能量浪費(fèi)。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，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保障供水的一個(gè)很有意義的工作。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(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，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

11、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。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求現(xiàn)在供水問(wèn)題是社會(huì)的一個(gè)大問(wèn)題，本設(shè)計(jì)是為了保證小區(qū)里不論高層還是底層都能有穩(wěn)定的水壓。所以現(xiàn)在急需要有個(gè)能夠保證這一要求的控制方法，本設(shè)計(jì)就是為了要求而提的。本設(shè)計(jì)用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)主要由PLC控制器、變頻器、四臺(tái)水泵及其輔助設(shè)備組成；實(shí)現(xiàn)在輸水管道壓力恒定的情況下，通過(guò)PLC+變頻器自動(dòng)根據(jù)用水量變化進(jìn)行

12、調(diào)節(jié)。通過(guò)本設(shè)計(jì)可以解決用戶在用水高峰的時(shí)候出現(xiàn)水壓不足和斷水的問(wèn)題。第2章 恒壓供水系統(tǒng)2.1 課題研究的對(duì)象 此次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有10層，由于高層樓對(duì)水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶將無(wú)法正常用水甚至出現(xiàn)無(wú)水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。自來(lái)水廠送來(lái)的水先儲(chǔ)存的水池中再通過(guò)水泵加壓送給用戶。通過(guò)水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶。2.2 PLC變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國(guó)內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： (1)帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源

13、。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)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(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。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)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。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(duì)可編程控制器來(lái)講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。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(wú)形中就增加了供水設(shè)備的成本。若采用帶有模

14、擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒(méi)有降低，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(kāi)關(guān)量輸入，輸出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，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調(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)。(2)繼電基礎(chǔ)器控制方式這類(lèi)控制電路比價(jià)落后，控制需要手動(dòng)，要消耗人力，并且有很大的延遲性和誤差性。(3)PLC變頻調(diào)速供水設(shè)備針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，

15、國(guó)內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來(lái)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(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)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)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。考慮以上三種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第三種方案。如圖2-1所示。圖2.1供水系統(tǒng)

16、方案圖2.3 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)隨著PLC 變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。PLC變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)PLC變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。PLC變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)

17、性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)中成片開(kāi)發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):(1)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(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量(如:溫度、流量、濃度等)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)用戶管網(wǎng)中

18、因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。(3)PLC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)在PLC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(包括定量泉的停止和運(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)時(shí)變化的。(5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突

19、然停水、斷電、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)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。(6)水泵的電氣控制柜，其有遠(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)表打印等功能。(7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。2.

20、4 PLC變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成如圖2-2所示。圖2.2系統(tǒng)構(gòu)成圖從系統(tǒng)圖上可以看出來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)由四臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。四臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，四臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋05V電壓信號(hào))或壓力變送器(反饋420mA電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過(guò)改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等

21、部分組成。(1)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)，圖2.3中的4個(gè)水泵分為二種類(lèi)型:調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。(2)信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來(lái)水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào):水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)

22、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:它是整個(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)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)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(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)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。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。(4)人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交

23、流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。(5)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來(lái)，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等。(6)報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。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(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波

24、動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類(lèi)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。 工作原理合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM8，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來(lái)自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC，PLC則根

25、據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺(tái)泵(或第3臺(tái)泵)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過(guò)由遠(yuǎn)傳壓力表送來(lái)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。增泵工作過(guò)程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3、4泵。開(kāi)始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供

26、水壓力仍沒(méi)達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒(méi)到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為4、3、2、1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)正在運(yùn)行的主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓

27、力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。2.4.3 PLC變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(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)需要增加恒速水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(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)需要減少恒速水泉來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無(wú)

28、限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。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。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過(guò)水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。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低到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

29、也在一定程度上阻止源水池中的水進(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)頻率遠(yuǎn)大于0Hz,具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間（比如

30、1-2分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說(shuō)明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。2.5 主電路主電路接線圖如圖2-3所示：圖2.3主電路圖電機(jī)有兩種工作模式即：在工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。KM1、 KM3、 KM5 、KM7分別為電動(dòng)機(jī)M1 、M2 、M3、M4 工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，KM0、 KM2 、KM4 、KM6 分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、 M3 、M4變頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器。熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的用作電動(dòng)

31、機(jī)的過(guò)載保護(hù)。熔斷器（FU）是電路中的一種簡(jiǎn)單的短路保護(hù)裝置。使用中，由于電流超過(guò)允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過(guò)載。第3章 器件的選型及介紹3.1 可編程控制器簡(jiǎn)介PLC可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器是一種用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開(kāi)關(guān)，但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應(yīng)于工藝要求發(fā)生變化的場(chǎng)合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過(guò)程、面向用戶的簡(jiǎn)單編程語(yǔ)句，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，是簡(jiǎn)單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當(dāng)

32、代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，但它的產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，其靈活標(biāo)準(zhǔn)的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。在實(shí)際應(yīng)用中，其硬件可根據(jù)實(shí)際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。隨著微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化控制愈來(lái)愈高的需求，PLC無(wú)論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的PLC已不只是開(kāi)關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過(guò)程控制

33、以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。事實(shí)上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無(wú)法向操作者顯示動(dòng)態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工藝改變時(shí)，無(wú)法方便、快速地改變相關(guān)參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復(fù)雜一些的控制系統(tǒng)中，PLC通常與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)完整的控制功能。3.1.2 PLC的工作過(guò)程 如圖3-2所示圖3.2 PLC的掃描工作過(guò)程PLC是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過(guò)程就是程序的執(zhí)行過(guò)程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，如圖3-2所示。PLC在I/O處理方面必須遵守的規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端

34、子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)。程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)。輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個(gè)刷新時(shí)間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定。輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。3.1.3PLC的選型本設(shè)計(jì)選用三菱FX2N-32MR-D的PLC，水泵M1、M2，M3，M4可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的6個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需1個(gè)輸出信號(hào)控制，報(bào)警器的控制需要1個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共9個(gè)。控制起動(dòng)和停止需要2個(gè)輸入

35、點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用PLC2個(gè)輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)起動(dòng)需1輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測(cè)電機(jī)是否過(guò)載需3個(gè)輸入點(diǎn)，共需15個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量共為24個(gè)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FXos-30MR-D型PLC。3.1.4 PLC的接線PLC的接線圖如圖3-3所示：圖3.3PLC的接線圖Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行,Y6接KM6控制M4的變頻運(yùn)行,Y7接KM7控制M4

36、的工頻運(yùn)行。X0接起動(dòng)按鈕，X1接停止按鈕，X2接M1的熱繼電器，X3接M2的熱繼電器，X4接M3的熱繼電器，X5接M4的熱繼電器，X6接變頻器報(bào)警。為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖。在同時(shí)控制M1電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖。3.2 變頻器變頻器的選擇：本設(shè)計(jì)中變頻器選擇FR-A540系列5.5型（三菱）。3.2.2 FR-A540系列的接線說(shuō)明：3.2.3變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變?cè)┙o異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指

37、令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過(guò)電壓、過(guò)電流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。圖3.4變頻器的構(gòu)成1.主電路給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖3.5所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加“制動(dòng)回路”。整流器：最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.5所示，它

38、把工頻電源變換為直流電源。可用兩組晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電壓吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號(hào)使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。制動(dòng)回路異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量?jī)?chǔ)存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般

39、說(shuō)來(lái)，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量積蓄的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用由逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路（開(kāi)關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。圖3.5 典型的電壓型逆變器一例2.控制電路給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱為控制電路。如圖3.4所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓/電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”。在圖3.4點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無(wú)速度檢測(cè)電路，為開(kāi)環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速

40、度檢測(cè)電路，即增加了速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。控制電路主要包括：運(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、功率。電壓/電流檢測(cè)電路：與主電路電位隔離，檢測(cè)電壓、電流等。驅(qū)動(dòng)電路：為驅(qū)動(dòng)主電路 器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。速度檢測(cè)電路：以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（TG、PLG等）的信號(hào)為速度信號(hào)送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護(hù)回路主要包括：（1

41、）逆變器保護(hù)1）瞬時(shí)過(guò)電壓保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過(guò)逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過(guò)容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。2）過(guò)載保護(hù)。逆變器輸出電流超過(guò)額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過(guò)負(fù)載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過(guò)大或因負(fù)載過(guò)大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。3）再生過(guò)電壓保護(hù)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過(guò)容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過(guò)電壓。4）瞬時(shí)停電

42、保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在10ms以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。5）接地過(guò)電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地時(shí)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有接地過(guò)電流保護(hù)功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。6）冷卻風(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，但風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。（2）異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)1）過(guò)載保護(hù)。過(guò)載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來(lái)檢出過(guò)熱。動(dòng)作頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)

43、負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量等。2）超頻（超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。（3）其他保護(hù)1）防止失速過(guò)電流。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩，則過(guò)電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)電流，也進(jìn)行同樣的控制。2）防止失速再生過(guò)電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過(guò)電壓。3.2.4 變頻器的特點(diǎn)變頻器具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、短路、失速等自動(dòng)保護(hù)功能。能實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟

44、起動(dòng)，減小電氣和機(jī)械沖擊噪音，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):1節(jié)能：變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達(dá)35%60% ，這一特點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)識(shí)并帶來(lái)效益。2占地面積小，投人少，效率高：設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護(hù)方便維護(hù)費(fèi)用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝。3配置靈活，功能齊全，自動(dòng)化程度高。4由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，大大降低水質(zhì)污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細(xì)菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲(chóng)必須定期清洗改用變頻調(diào)速恒壓供

45、水設(shè)備后只需一個(gè)低位水箱原來(lái)也有將水質(zhì)污染降到最低限度。5通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)省了人力物力。3.2.5 變頻器接線圖根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選用FR-A540系列變頻器，接線圖如下:圖3.6變頻器接線圖管腳STF接KM0輔助的常開(kāi)觸點(diǎn)，KM0由FX-2N-32MR的PLC輸出端Y0控制，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。外部模擬電壓信號(hào)輸入控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器接受模擬信號(hào)，改變輸出頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖3.7 R-A540的管腳說(shuō)明3.3 PID調(diào)節(jié)器僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的PI控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差

46、。但是動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用P動(dòng)作控制。對(duì)于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動(dòng)作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用

47、于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng)(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類(lèi)系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。圖3.8 PID控制框圖通過(guò)對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。在恒壓供水中常見(jiàn)的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法

48、在可編程序控制器(或單片機(jī))上做PID控制器此次使用硬件型控制形式。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。圖3.9 PID控制接線圖3.4 壓力傳感器34.1壓力傳感器的工作原理壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓

49、力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類(lèi)傳感器。在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器

50、進(jìn)行放大，再給處理電路（通常是A/D 轉(zhuǎn)換和CPU ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10所示圖3.10 壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 如圖所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯。3.4.2壓力傳感器的接線圖壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對(duì)壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號(hào)調(diào)理電路組成，當(dāng)壓

51、力作用于傳感器時(shí)，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(hào)調(diào)理電路將輸出的電壓信號(hào)作放大處理，同時(shí)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。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為28±3V（DC）。圖3.11 壓力傳感器的接線圖3.5 表表3.1元件表總圖元件符號(hào)型號(hào)個(gè)數(shù)可編程控制器PLCFX2N-30MR-D1變頻器FR-A540系列5.5型1接觸器KMSC-E03-C7水泵M1,M240-160(I)A2M3,M440-160(I)2閘刀開(kāi)關(guān)QSHD11-100/181熔斷器FU1，F(xiàn)U2RT18 6A2FU3, FU4RT

52、18 8A2熱繼電器FR1 FR2TK-E02T-C2FR3 FR4K-E02U-C2按鈕SBLAY3117水泵符號(hào)型號(hào)流量(m3/h)揚(yáng)程(m)轉(zhuǎn)速(r/min)電機(jī)功率(kw)M1,M240-160(I)A112829002.2M3,M440-160(I)12.53229003.0表3.2水泵的參數(shù)表3.3 變頻器的參數(shù)變頻器適用電機(jī)容量（KW)輸出額定容量(KVA)輸出額定電流（A）過(guò)載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式FR-A540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反時(shí)限特性)3相，380V至480V 50Hz/60Hz強(qiáng)制風(fēng)冷水泵：M1、

53、M2選用40-160(I)A型，M3、M4選用40-160(I)型，參數(shù)見(jiàn)表3.1所示。 熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機(jī)的過(guò)載保護(hù)熱繼電器FR，F(xiàn)R1 FR2可選用規(guī)格其型號(hào)為T(mén)K-E02T-C，額定電流58A，F(xiàn)R3可選用規(guī)格其型號(hào)為T(mén)K-E02U-C，額定電流為69 A。熔斷器的選擇：在控制回路中熔斷器FU選用RT18系列。接觸器的選擇：對(duì)于接觸器KM選擇的是規(guī)格SC-E03-C,功率3kW。按鈕SB的選擇：PLC各輸入點(diǎn)的回路的額定電壓直流24V，各輸入點(diǎn)的回路的額定電流均小于40mA，按鈕均只需具有1對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)，按鈕均選用LAY311型，其主要技術(shù)參數(shù)為：UN=24VDC，

54、IN=0.3A，含1對(duì)常開(kāi)和1對(duì)常閉觸點(diǎn)。第四章 設(shè)計(jì)程序及說(shuō)明如圖4-1所示，X0為啟動(dòng)按鈕，按下X0系統(tǒng)運(yùn)行，X1為停止按鈕，X2，X3，X4，X5，X6為熱過(guò)載保護(hù)按鈕，X6為變頻器報(bào)警信號(hào)。T8為第四臺(tái)電機(jī)運(yùn)行一分鐘后還沒(méi)達(dá)到供水要求，說(shuō)明系統(tǒng)有問(wèn)題，自動(dòng)停止，工作人員進(jìn)行檢修。T16為第一臺(tái)電機(jī)停止后，壓力仍然大于設(shè)定值，也說(shuō)明系統(tǒng)有問(wèn)題，工作人員應(yīng)進(jìn)行檢修。M0為輔助繼電器，系統(tǒng)啟動(dòng)后M0得電并自鎖，此后M0一直得電。Y11為變頻器提供電源，系統(tǒng)運(yùn)行，變頻器就得電。Y10為變頻器提供正傳信號(hào)，電機(jī)為正傳。圖4-1 系統(tǒng)起停功能的實(shí)現(xiàn)圖4.1系統(tǒng)啟動(dòng)和停止如圖4-2系統(tǒng)運(yùn)行后M0得電

55、，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，系統(tǒng)進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊，PLC采集外部信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后存入數(shù)據(jù)寄存器D50中。數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊放在緊貼PLC的一側(cè)，為0號(hào)模塊，選擇0號(hào)模塊當(dāng)中的一號(hào)通道，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始PLC將模塊當(dāng)中的低八位數(shù)據(jù)讀入PLC中，高四位保存在b8b11中，程序所設(shè)定的數(shù)字量放在D51中。D100D106為PID指令參數(shù)設(shè)定的寄存器，D100為采樣周期，設(shè)定為10秒；D101為動(dòng)作方向，設(shè)定為正動(dòng)作；D102為輸入濾波常數(shù)，設(shè)定為80%；D103為比例增益，設(shè)定為90%；D104為積分時(shí)間，設(shè)定為25秒；D105為微分增益，設(shè)為80%；D106為為微分時(shí)間，設(shè)為25秒。PID將D50和D51進(jìn)

56、行比較，結(jié)果放在D150中。圖4.2 PID指令采集信號(hào)如圖4-3此程序?yàn)镈A轉(zhuǎn)換模塊的程序，DA轉(zhuǎn)換模塊位于一號(hào)位置為一號(hào)模塊，將M40M43中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，送到變頻器模擬信號(hào)輸入端子（頻率）。圖4.3 DA轉(zhuǎn)換模塊如圖4-4比較指令CMP，比較原操作數(shù)D50和D51,比較的結(jié)果放到目標(biāo)操作數(shù)M200中，當(dāng)M0得電時(shí)，將D50與D51中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果放到M200M202中，當(dāng)D50=D51，僅M201得電；當(dāng)D50>D51，僅M200得電；當(dāng)D50<D51，僅M202得電。圖4.4比較指令CMP 如圖4-5當(dāng)D50中的數(shù)據(jù)小于D51中的預(yù)設(shè)值，M202得電接通，此時(shí)程序進(jìn)入增壓程序，第一臺(tái)水泵變頻運(yùn)轉(zhuǎn)，并自鎖。M201為D50=D51時(shí)也執(zhí)行此程序。4.5增壓程序如圖4-6此程序?yàn)闇p泵程序，當(dāng)D50>D51時(shí)，供水過(guò)多，系統(tǒng)進(jìn)入減泵程序，此時(shí)只有