基于plc控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)報(bào)告
2013/7/8 15:21:46??????點(diǎn)擊：
基于plc控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)報(bào)告
隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然的趨勢(shì)
本文分析變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案，通過(guò)研究和比較，本論文采用變頻器和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。本論文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)通過(guò)MCGS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)巡回監(jiān)控系統(tǒng)。具體講述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)與軟件的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)采取的可靠性措施進(jìn)行了說(shuō)明。
本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。
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) 一臺(tái)恒速泵直接供水系統(tǒng)
這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶(hù)，有的甚至連蓄水池也沒(méi)有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。
(2) 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(hù)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(mǎn)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(huà)，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。
(3)射流泵十水箱的供水方式
這種方式是利用射流泵本身的獨(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，利用壓差和來(lái)水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不完善，加之該方式會(huì)出現(xiàn)有壓無(wú)量(流量)的現(xiàn)象，無(wú)法滿(mǎn)足高層供水的需要。
(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式
這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。
(5)恒速泵十氣壓罐供水方式
這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開(kāi)、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。
(6)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、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。
①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。
②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(xiàn)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。
③ 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(hù)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 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、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 國(guó)內(nèi)外研究概況
變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動(dòng)產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類(lèi)設(shè)備雖然說(shuō)是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。
目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)〔森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器(2.2kw-30kw)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)(月麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。
可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。
采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)，電機(jī)起動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有較大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來(lái)水管)進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài).
變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式(如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等)，是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù).它采用微機(jī)控制技術(shù);電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)交流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。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、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。
1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求
本系統(tǒng)以一個(gè)供水系統(tǒng)作為被控對(duì)象，研究基于MCGS組態(tài)軟件的供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)獲得較好的性能指標(biāo)。主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：了解供水系統(tǒng)的運(yùn)行工藝情況，設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)的硬件電路；研究恒壓變頻供水的控制方法，開(kāi)發(fā)基于MCGS組態(tài)軟件的監(jiān)控界面，完成系統(tǒng)監(jiān)控調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的高性能控制。
第2章 恒壓供水系統(tǒng)
2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)
隨著變頻技術(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。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(mǎn)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(zhuān)用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)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。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)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)。
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(hù)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(hù)管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N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，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)。
(3)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(zhuān)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。
2.2 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(hù)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(hù)。通過(guò)水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶(hù)。
2.3 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．邏輯電子電路控制方式
這類(lèi)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)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。
2．單片微機(jī)電路控制方式
這類(lèi)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)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對(duì)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太好。
3．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。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(mǎn)足用戶(hù)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(xiàn)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)。
4．新型變頻調(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，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，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的GIIS／PIIS系列產(chǎn)品；等等。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(xiàn)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。
整個(gè)系統(tǒng)由三臺(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。三臺(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，三臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿(mǎn)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0～5V電壓信號(hào))或壓力變送器(反饋4～20mA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(hù)管網(wǎng)，圖2.3中的3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):
①水壓信號(hào):它反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。
②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)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。
①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。
②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。
③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(mǎn)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
2.4.2 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KM6，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 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(mǎn)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)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(mǎn)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(mǎn)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。
第3章 器件的選型及介紹
3.1 可編程控制器
3.1.1簡(jiǎn)介PLC
可編程控制器是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的，當(dāng)時(shí)稱(chēng)作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC?？删幊炭刂破鞯漠a(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(hù)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)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)。
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)程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmable Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng)PC，但是為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(Persona1 Computer)的簡(jiǎn)稱(chēng)PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡(jiǎn)稱(chēng)為PLC。
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的特點(diǎn)
現(xiàn)代可編程控制器不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)處理、運(yùn)動(dòng)控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門(mén)，其應(yīng)用已擴(kuò)展到樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、商業(yè)、公用事業(yè)、測(cè)試設(shè)備和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
1）編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)
2）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高
3）硬件配套齊全，用戶(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)
4）無(wú)觸點(diǎn)免配線(xiàn)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少
6）維修工作量小，維修方便
7）體積小，能耗低。
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：
①輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)；
②程序如何執(zhí)行，取決于用戶(hù)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)；
③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。
④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；
⑤輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。
3.1.4 PLC的選型
水泵M1、M2，M3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。
3.2.1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
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(chēng)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，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M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。
④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。
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(chēng)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(xiàn)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：
①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）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(xiàn)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。可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過(guò)電壓。
4）瞬時(shí)停電保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以?xún)?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)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。
3.2.2 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(hù)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
3.2.2 變頻器的選型
3.2.3 變頻器的接線(xiàn)
管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過(guò)OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào)。
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。但是， I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。控制對(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
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(xiàn)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。
3.4壓力傳感器的接線(xiàn)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(xiàn)性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)的要求。
該傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60 ℃，供電電源為28±3V（DC）。
3.5原件表
水泵：M1、M2選用40-160(I)A型，M3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5－8A，F(xiàn)R3可選用規(guī)格其型號(hào)為T(mén)K-E02U-C，額定電流為6－9 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LAY3—11型，其主要技術(shù)參數(shù)為：UN=24VDC，IN=0.3A，含1對(duì)常開(kāi)和1對(duì)常閉觸點(diǎn)。
第4章 PLC控制及編程
4.1 PLC控制
PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻—變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程
系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。
手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問(wèn)題
在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果PLC接到頻率下限信號(hào)，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒(méi)接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。
4.1.1 手動(dòng)運(yùn)行
當(dāng)按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式。按下SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時(shí)，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時(shí)切斷電機(jī)變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過(guò)大時(shí)，可以手動(dòng)按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行。可根據(jù)需要，停按不同電機(jī)對(duì)應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺(tái)水泵.該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用.
4.1.2 自動(dòng)運(yùn)行
由PLC分別控制某臺(tái)電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制.
升壓控制：系統(tǒng)工作時(shí)，每臺(tái)水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài).系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開(kāi)始運(yùn)行，第一臺(tái)水泵M1，啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行;同時(shí)，使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行.當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警.
降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的一臺(tái)水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。
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
系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，KM1閉合，#1泵以變頻方式運(yùn)行。 當(dāng)變頻器的運(yùn)行頻率超出一個(gè)上限信號(hào)后，PLC通過(guò)這個(gè)上限信號(hào)后將1#水泵有變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，KM1斷開(kāi)KM0吸合，同時(shí)KM3吸合變頻起動(dòng)第2#水泵。
如果再次接收到變頻器上限信號(hào)，則KM3斷開(kāi)KM2吸合，第2#水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，3#水泵變頻起動(dòng)。
如果變頻器頻率偏低，即壓力過(guò)高，輸出的下限信號(hào)使PLC關(guān)閉KM5、KM2，開(kāi)啟KM3，2#水泵變頻起動(dòng)。
再次接到下限信號(hào)就關(guān)閉KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵變頻運(yùn)行。
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。在同是控制M1電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器KM1、KM0線(xiàn)圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖。
第5章 MCGS組態(tài)軟件
5.1 MCGS組態(tài)軟件
MCGS(Monitor And Control Generated System,通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套全中文工控組態(tài)軟件,用于快速構(gòu)造和生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件,它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺(tái)上運(yùn)行,可以以Microsoft的 Windows 95,98,Me,Nt或windows 2000 為操作系統(tǒng).通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理,以動(dòng)畫(huà)顯示,報(bào)警處理,流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案,在自動(dòng)有著廣泛的應(yīng)化領(lǐng)域用.它功能齊全，便于方案設(shè)計(jì)。MCGS為解決工程監(jiān)控問(wèn)題提供了豐富多樣的手段，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)（數(shù)據(jù)采集）到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)表輸出、曲線(xiàn)顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件能快速完成多數(shù)簡(jiǎn)單工程項(xiàng)目的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作。用戶(hù)可避開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)軟硬件問(wèn)題，集中精力解決工程本身的問(wèn)題，，組態(tài)配置出高性能、高可靠性、高度專(zhuān)業(yè)化的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)的突出特點(diǎn)。
5.1.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)
MCGS組態(tài)軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCGS）由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)系統(tǒng)組成。兩部分互相獨(dú)立，又緊密相關(guān)
圖5.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)
MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶(hù)在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg的工程文件，又稱(chēng)為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶(hù)應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱(chēng)為“工程” 。
5.1.2 MCGS工程的五大部分
圖5.2 MCGS的工程組成
主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶(hù)窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開(kāi)或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱(chēng)，編制工程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫(huà)刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫(kù)存盤(pán)文件名稱(chēng)及存盤(pán)時(shí)間等。
設(shè)備窗口：是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，定義連接與驅(qū)動(dòng)設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。
用戶(hù)窗口：本窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，諸如：生成各種動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面、報(bào)警輸出、數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)圖表等。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)：是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類(lèi)型和名稱(chēng)的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫(huà)連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。
運(yùn)行策略：本窗口主要完成工程運(yùn)行流程的控制。包括編寫(xiě)控制程序（if…then腳本程序），選用各種功能構(gòu)件，如：數(shù)據(jù)提取、歷史曲線(xiàn)、定時(shí)器、配方操作、多媒體輸出等。
5.2 建立界面
5.2.1 建立窗口
[1]在“用戶(hù)窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0” 。
[2]選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進(jìn)入“用戶(hù)窗口屬性設(shè)置”。
[3]將窗口名稱(chēng)改為：變頻恒壓供水系統(tǒng)；窗口標(biāo)題改為：變頻恒壓供水系統(tǒng)；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認(rèn)”。
[4]在“用戶(hù)窗口”中，選中“變頻恒壓供水系統(tǒng)”，點(diǎn)擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設(shè)置為啟動(dòng)窗口”選項(xiàng)，將該窗口設(shè)置為運(yùn)行時(shí)自動(dòng)加載的窗口。
結(jié)束語(yǔ)
本論文研究的是變頻恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)以PLC和變頻器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助于PLC強(qiáng)大而靈活的控制功能和內(nèi)置PID的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制。該系統(tǒng)采用PCL控制變頻器進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，按實(shí)際需要隨意設(shè)定壓力給定值，根據(jù)壓差調(diào)整水泵的工作情況，實(shí)現(xiàn)恒壓供水，使給水泵始終在高效率下運(yùn)行，在啟動(dòng)時(shí)壓力波動(dòng)小，可控制在給定值的5%范圍內(nèi)。
恒壓供水在日常生活中非常重要，基于PLC和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的生活恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，節(jié)省了人力，提高了供水質(zhì)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班，節(jié)約管理費(fèi)用。對(duì)整個(gè)供水過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，管理人員可根據(jù)每個(gè)季節(jié)的用水情況，選擇不同的壓力設(shè)定范圍，不但節(jié)約了用水，而且節(jié)約了電能，達(dá)到了更優(yōu)的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)供水的最優(yōu)化控制和穩(wěn)定性控制。
目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻但壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。
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