變頻器恒壓供水系統(tǒng)(單泵)

1、1203010325摘 要 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。 對城鎮(zhèn)住宅電力驅(qū)動恒壓供水的原理及幾種實用化方案進行了深入的討論，以變頻器為主體的恒壓供水系統(tǒng)對供水水泵實現(xiàn)全方位的寶

2、護。該系統(tǒng)不但能最大限度地節(jié)約水資源，而且能夠節(jié)約電能，延長供水水泵的使用壽命，并在緊急情況下（消防，減災）能夠做到重點供水。最后，對幾種實用化供水方案進行了詳細的討論。關鍵詞：變頻器；恒壓供水；變頻調(diào)速；供水系統(tǒng)；目 錄1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展31.1變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義31.2變頻調(diào)速及PLC在供水行業(yè)中的應用81.2.1變頻調(diào)速技術的特點及應用81.2.2可編程序控制器的特點及應用92變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)112.1恒壓供水控制系統(tǒng)構成112.2變頻恒壓控制理論模型123變頻恒壓供水系統(tǒng)設計133.1設計任務及要求133.2系統(tǒng)主電路設計143.3控制系統(tǒng)組成方框圖154

3、器件的選型及介紹174.1 變頻器簡介174.2 變頻器選型174.2.1 變頻器的控制方式174.2.2 變頻器容量的選擇184.2.3 變頻器主電路外圍設備選擇204.3 可編程控制器(PLC)224.3.1 PLC的定義及特點224.3.2 PLC的工作原理234.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇235變頻器參數(shù)的設置246.結束語267.參考文獻271變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展1.1變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義 變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應用于多層住宅小區(qū)生活消防供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設備（如水泵），在對原有供水系統(tǒng)進行變頻

4、改造的實踐中，往往會出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問題。隨著電力技術的發(fā)展，變頻調(diào)速技術的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的。1.變頻調(diào)速技術的特點及應用通常在同一路供水系統(tǒng)中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時，就用

5、兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，最終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，但控制程序較復雜，是未來的發(fā)展方向，比如NKL-A系列恒壓供水控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)一變頻器控制任意數(shù)馬達的功能。2.可編程序控制器的應用目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。（1）開關量的邏輯控這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路

6、，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。（2）模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。（3）運動控制PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模

7、塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。3.過程控制過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。4.數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、

8、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票?。?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。5.通信及聯(lián)網(wǎng)PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。6.可編程變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的設計(1) 變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理變頻器是把工頻電源

9、(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設備，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行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。對于如矢量控制變頻器這種需要大量運算的變頻器來說，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。變頻調(diào)速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。一般使用的風機、水泵類它們額定風量、水量都超過實際需要，又因工藝的需要，往往運行中要改變風量、水量，而目前多數(shù)采用檔板或閥門來調(diào)節(jié)的，雖然方法簡單，但實質(zhì)是人為增加阻力的辦法。因此浪費大量電能，屬不經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方式。從流體力學原理

10、可知，風機的風量、水泵的流量與電機轉(zhuǎn)速及電機功率的關系如下：    當風機轉(zhuǎn)速下降時，電動機的功率迅速降低，例風量下降到80，轉(zhuǎn)速亦下降到80時，則軸功率下降到額定的51，若風量下降到50，軸功率將下降到額定的13，其節(jié)電潛力非常大，采用變頻器調(diào)速方式有很強的節(jié)電效果，其節(jié)電可達30-40效果十分明顯。(2) 變頻器控制方式的選擇低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。7.U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性

11、硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。(1) 電壓空間矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進

12、行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。(2)矢量控制（VC）方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動

13、機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。(3) 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎

14、的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。(4) 矩陣式交交控制方式VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交交變頻應運而生。由于矩陣式

15、交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應（<2ms），很高的速度精度（±2，無PG反饋），高轉(zhuǎn)矩精度（<3）；同時還具有較高的起動轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時（包括0速度時），可輸出150200轉(zhuǎn)矩。因此，我們選用最后一種控制方式，矩陣式交-交控制方式。近年來我國中小城市發(fā)展迅速,集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計,從1990年到1

16、998年,我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升,增長了37.2%,與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足,造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水壓力的要求變化較大,僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時供水壓力不足,用水低峰期時供水壓力過高,不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 供水廠希望通過對原有系統(tǒng)的技術改造,提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此基礎之上配備相應的系統(tǒng)管理軟件,改變傳統(tǒng)的落后管理方式,使管

17、理工作規(guī)范化,提高水廠的業(yè)務管理水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個完全依靠值班人員手動控制的系統(tǒng),所以對該系統(tǒng)技術改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎進行,設計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng),克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應遲鈍的問題,降低能源消耗和資源浪費,提高設備的可維護性和運行的可靠性,以達到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 在相當比較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng),變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點：1.供水量在短時間內(nèi)（一天時間內(nèi)）變化大,這種變化在幾個小時內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。2.對供水壓力的要求比較嚴格,供水的壓力隨供水的

18、流量的變化而變化,甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。3.一般情況下,供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制,而水流量又是通過供水水泵的輸出來提供的。 從上即可結論：以變頻器為主體構成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要,也提高整個系統(tǒng)的效率,延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構成復雜的功能強大的供水系統(tǒng)。1.2變頻調(diào)速及PLC在供水行業(yè)中的應用1.2.1變頻調(diào)速技術的特點及應用作為高性能的調(diào)速傳動,直流發(fā)電機電動機調(diào)速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩,價格也相當昂貴。使異步電機實現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機的調(diào)速方法很多,例如變極調(diào)速、有極

19、調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用。 70年代以后,由于微電子技術、電力電子技術和微處理機技術的發(fā)展,促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點,而且調(diào)速性能可以和直流電動機的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應面寬等優(yōu)點,其變頻調(diào)速技術在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到80年代末,交流電機的變頻調(diào)速技術迅速發(fā)展成為一項成熟的技術,它將供給交流電機的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流,再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源,以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行,并

20、自動適應變負荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式,從而達到節(jié)能目的。現(xiàn)代變頻調(diào)速技術應用于電力水泵供水系統(tǒng)中,較為傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電4060,節(jié)水1530。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機械特性好,效率高,調(diào)速范圍寬,精度高,調(diào)整特性曲線平滑,可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速,體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時,可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器,變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類,目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。 自從通用變頻

21、器問世以來,變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點,使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速,依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù),在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求,是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展,變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能,對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備,降低成本,保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及

22、氣壓供水方式相比,不論是設備的投資,運行的經(jīng)濟性,還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢,而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性,引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視,并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制,多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化,系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 在短短的幾年內(nèi),變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程,早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設計簡易可靠,但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵

23、、電機運行效率低,而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省,運行效率高,被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計,很快發(fā)展成為主導產(chǎn)品。1.2.2可編程序控制器的特點及應用早期的可編程序控制器(Programmable Logic Controller,PLC),主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展,可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體,具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點,以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現(xiàn)性能,在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。1969年,美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控

24、制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成,主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期,體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增強。在硬件方面,除了保持其原有的開關模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面,PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言,除了保持原有的邏輯運算等功能以外,還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期,由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展,微處理器的市場價格大幅度下跌,使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進一步提高PLC的處理

25、速度,各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片,大大提高了PLC軟、硬件功能。在發(fā)達工業(yè)國家,PLC已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱,1995年全球PLC及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約50億美元。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展,PLC的功能得到大大的增強,具有以下特點：(1)可靠性高。PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。(2)具有豐富的I/O接口模塊。PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號,有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能,它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡,它還有

26、多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。(3)采用模塊化結構。為了適應各種工業(yè)控制需要,除了單元式的小型PLC以外,絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件,包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計,由機架及電纜將各模塊連接起來,系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。(4)編程簡單易學。PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對使用者來說,不需要具備計算機的專門知識,因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。(5)安裝簡單,維修方便。PLC不需要專門的機房,可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置,便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構,因此一旦某

27、模塊發(fā)生故障,用戶可以通過更換模塊的方法,使系統(tǒng)迅速恢復運行。由于PLC強大功能和優(yōu)點,使得PLC在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應用。PLC在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以監(jiān)測2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)2.1恒壓供水控制系統(tǒng)構成變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵連成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，

28、供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(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。變頻器水泵用戶管網(wǎng)壓力壓力變送器給定值+- 圖2.1恒壓供水系統(tǒng)方框圖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，與用戶設定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機的電源頻率，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確、不失值，可對該信號設置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋信號進行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡單、方便。西門子系列PLC編程

29、采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實現(xiàn)梯形圖與語句表的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序包括主程序和起動子程序，主程序包括參與調(diào)節(jié)程序和電機切換程序；電機切換程序又包括加電機程序和減電機程序。起動子程序?qū)嶋H上是清零子程序。在主程序中，設置兩個變頻器頻率上下限到達濾波時間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。2.2變頻恒壓控制理論模型 變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設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

30、目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上 從圖2-2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定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。該頻率使水泵機組轉(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，直到實際供水壓力和設定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設定壓力，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)的結果是實際供水壓力和設

31、定壓力相等。 圖2.2變頻恒壓控制原理圖3變頻恒壓供水系統(tǒng)設計3.1設計任務及要求本系統(tǒng)是以一個供水系統(tǒng)作為被控對象，PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機的轉(zhuǎn)速與啟動和停止?？刂埔螅海?）工藝參數(shù): 水泵流量：295 m3/h 水泵出口壓力： 0.08Mpa （2）水泵參數(shù)：型號：125H-13額定流量：793 m3/h揚程：32.3 m功率：80.3 KW額定轉(zhuǎn)速：1450 r/min配用電機功率：100KW（3）電動機參數(shù)：型號：JD-L-39-4 功率：100KW 額定頻率：50Hz 額定電壓：380VAC； 額定轉(zhuǎn)速：1470 r/min 額定電流：188.2 A（4）水泵電機的起動/停止、正

32、轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。（5）變頻器采用遠方控制方式。（6）變頻器的頻率由420mA電流信號控制。（7）變頻器的運行狀態(tài)指示（如運行、停止、過流、低壓等）。（8）變頻器的報警處理。3.2系統(tǒng)主電路設計圖3.1 系統(tǒng)主電路圖主電路。如圖所示，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端，KM2用于將變頻器的輸出端接至電動機，KM3用于將工頻電源直接接至電動機，熱繼電器KR用于工頻運行時的過載保護3.3控制系統(tǒng)組成方框圖恒壓供水系統(tǒng)的基本構成是：變頻器+水泵+水管網(wǎng)壓力檢測部件+PID調(diào)節(jié)器(目前大多數(shù)變頻器已將PID調(diào)節(jié)器集成到其內(nèi)部)，如圖3.2所示：該圖為簡單的單泵控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電氣接線圖如圖3.3所

33、示。圖3.2 恒壓供水系統(tǒng)示意圖圖3.3電氣接線圖圖3.3中的補償電阻Rc用于補償壓力遠傳表電阻值與VLT變頻器輸出電源匹配問題。ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的變頻器的50端子是10V DC電源，專門用于過程控制系統(tǒng)的檢測裝置的供電電源。53端子是模擬量信號（反饋輸入和模擬量給定值）輸入端。55端子為公共端。 ABB公司的SAMI STAR系列的315F 660/690型的變頻器集成有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性和變轉(zhuǎn)矩輸出特性以及速度PID調(diào)節(jié)器和過程控制PID調(diào)節(jié)器，分別用于速度閉環(huán)運行控制和過程運行的閉環(huán)控制。在恒壓供水系統(tǒng)中使用變轉(zhuǎn)矩運行特性和過程控制PID調(diào)節(jié)器。

34、4器件的選型及介紹4.1 變頻器簡介1、變頻器的基本結構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)電機的變速運行的設備。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，有時還需要一個進行轉(zhuǎn)矩計算的CPU以及一些相應的電路。 2、變頻器的分類 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；按照開關方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PW

35、M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。 4.2 變頻器選型4.2.1 變頻器的控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關鍵所在。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為檔次越高越好，其實只要按負載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟實惠。下表中參數(shù)供選用時參考。表4.1控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或P

36、ID調(diào)節(jié)器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100起動轉(zhuǎn)矩（在3Hz）150%150%150%150%零轉(zhuǎn)速時為150%零轉(zhuǎn)速時為>150%200%靜態(tài)速度精度/%±（0.20.3）±（0.20.3）±0.2±0.2±0.02±0.2適用場合一般風機、泵類等較高精度調(diào)速，控制一般工業(yè)上的調(diào)速或控制所有調(diào)速或控制伺服拖動、高精傳動、轉(zhuǎn)矩控制負荷起動、起重負載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動大負載故選擇U/f=C控制4.2.2 變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行

37、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)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負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仔細了解設備的工藝情況及電動機參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動機的額定電流要大于普通籠形異步

38、電動機額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動機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傳動。應保證在無故障狀態(tài)下負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：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作

39、時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經(jīng)測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調(diào)整節(jié)能程序的設置，以利達到較高的節(jié)能效果。3、從計算功率的角度：對于連續(xù)運轉(zhuǎn)的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：(1)滿足負載輸出：PcnPm (3.1)(2)滿足電動機容量：Pcn3KUeIe cos ×10-3(3.2)(3)滿足電動機電流：IcnKIe(3.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM-負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電

40、動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），為電動機效率（通常約為085），cos為電動機功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常K約為10511）。將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，額定電流139.26A，故取150A。 根據(jù)計算所得的所需參數(shù)可以選取西門子MicroMaster430（風機水泵專業(yè)）變頻器，具體的可以選擇MM430-110K型號的變頻器，他配接電機的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。4.2.3 變頻器主電路外圍設備

41、選擇1、斷路器當變頻器需要檢修時，或者因某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時，進行保護。選擇原則(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對電容器的充電電流可達額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^額定電流；(3)變頻器允許的過載能力為150%，1min。為了避免誤動作，斷路器的額定電流應選： (3.4)其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以選擇斷路器DW15400斷路器額定電壓為380V，額定電流為300滿足要求可以選擇。2、接觸器(1)主要作用：可通過按鈕開關方便地控制變頻器的通電與

42、斷電；變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。(2)選擇原則：由于接觸器自身并無保護功能，不存在誤動作的問題，故選擇原則是主觸點的額定電流，應該大于126.6A,可以選擇主觸點額定電流為130A的接觸器。根據(jù)上述數(shù)據(jù)施奈德的LC1D150，滿足參數(shù)要求，可以選擇3、主電路的線徑(1)電源和變頻器之間的導線一般說來，和同容量普通電動機的電線選擇方法相同?？紤]到其輸入側(cè)的功率因數(shù)往往較低，應本著宜大不宜小的原則來決定線徑。(2)變頻器和電機之間的導線因為頻率下降時，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動機得到電壓的比例則下降。這有可能導致電動機帶不動負載并發(fā)熱。所以

43、，在決定變頻器和電動機之間導線的線徑時，最關鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求： (3.5)的計算公式是： (3.6)式中：額定相電壓，V ； 電動機額定電流，A ； 單位長度（每米）導線的電阻，m/m ； 導線的長度，m 。由上兩式可直接求出的取值范圍。根據(jù)Ro值確定導線面積。由公式（3.5）得：11.4）V由公式（3.6）得：0.69 m/m 1.04 m/m 根據(jù)表3.1判斷所需的導線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應該選擇截面積為16的導線。表4.2 常用電動機引出線的單位長度電阻值。標稱截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.8

44、11.96.924.402.921.731.100.690.494、制動電阻準確計算制動電阻值十分麻煩，在實際工作中基本不用。許多變頻器的使用說明書上給了一些計算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動電阻的規(guī)格。但按說明書上選擇電阻時須注意下面問題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動電阻檔次，常常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值和容量的制動電阻。選用時，應注意根據(jù)生產(chǎn)機械的具體情況進行調(diào)整。對同一擋中電動機容量較小者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應根據(jù)制動過程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動電阻。對同一擋中電動機容量較大者，制動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小

45、。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動的場合，或者如起重機械那樣，需要釋放位能的場合，上述制動電阻有可能滿足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動電阻。4.3 可編程控制器(PLC)4.3.1 PLC的定義及特點 在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現(xiàn)邏輯運算、順序控制、計數(shù)、計時和算術運算功能，用來對各種機械或生產(chǎn)過程進行控制。PLC的特點如下：1、高可

46、靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時間常數(shù)一般為1020ms.(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關電源。(5)對采用的器件進行嚴格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構成冗余系統(tǒng)或有三CPU構成表決系統(tǒng),使可靠性更進一步提高。2、豐富的I/O接口模塊 PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，如： 交流或直流； 開關量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強電或弱電

47、等。有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備，如： 按鈕 行程開關 接近開關 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機對話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結構 為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學 PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。使用時只需將現(xiàn)場的各種設備與PLC相應的I/O端相連接，即可投入運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。4.3.2 PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條，如此周而復始不斷循環(huán)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)