變頻恒壓樓宇供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD】

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1.1研究背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。城市自來(lái)水管的水壓一般規(guī)定保證6層以下樓宇的用水，其余上部分各層均須“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用水塔、高位水箱，或氣壓罐增壓設(shè)備，但它們都必須由水泵以高出實(shí)際用水高度的壓力來(lái)“提升”水量，其結(jié)果增大了水泵的軸功率和能耗。目前，衡量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣▽?duì)某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的，但是用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且集中反映在供水的壓力上:用水多而供水少，則供水壓力低;用水少而供水多，則供水壓力過(guò)大。保持管網(wǎng)的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。傳統(tǒng)的供水方式普遍不存在同程度的浪費(fèi)水資源、電力資源、而且效率不高、可靠性較差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)。嚴(yán)重影響了小區(qū)居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，水泵機(jī)組在運(yùn)行中需要大量消耗能量，所以提高泵站效率；降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。國(guó)內(nèi)目前的供水方式基本上朝向高效節(jié)能、自動(dòng)可靠的方向發(fā)展，其中變頻恒壓調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在樓宇供水系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在工業(yè)用水的各級(jí)加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：一、節(jié)能顯著，效率大幅度提高；二、在開、停機(jī)時(shí)能減小電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及水壓對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三、大幅度的減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗。 變頻恒壓供水的現(xiàn)況以及發(fā)展趨勢(shì)變頻恒壓供水系統(tǒng)是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸相應(yīng)的發(fā)展起來(lái)的。目前國(guó)外的變頻恒壓供水系統(tǒng)成熟可靠，恒壓控制技術(shù)可靠。但國(guó)外變頻恒壓供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。但是此方法的缺點(diǎn)就是水泵電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)目一樣多，因而大大提高投資成本高。本系統(tǒng)為節(jié)約設(shè)備投資，只采用一臺(tái)變頻器來(lái)控制多臺(tái)水泵協(xié)調(diào)工作，因此現(xiàn)在的供水專用變頻器具有PID調(diào)節(jié)器以及和PLC集成在一起，組成專用的供水管控一體化系統(tǒng)，只需增加一只水管壓力傳感器，即可組成變頻恒壓供水系統(tǒng)。 目前國(guó)內(nèi)外有很多公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水系統(tǒng)的研制推廣，國(guó)產(chǎn)變頻器大多主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)外變頻器，在結(jié)合PLC 或PID調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡(jiǎn)單化方向發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來(lái)越高，大部分專用供水變頻器集成了PLC 或PID，現(xiàn)在甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來(lái)越方便。簡(jiǎn)單。 1.2設(shè)計(jì)思想本設(shè)計(jì)是對(duì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)（軟硬件方面）在實(shí)際生活應(yīng)用中具體作用進(jìn)行較為詳細(xì)的介紹。本系統(tǒng)主要將PLC、變頻器（含PID）、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)操作方便，本系統(tǒng)以變頻器調(diào)速為核心，以變頻恒壓供水控制系統(tǒng)取代了過(guò)去的高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，避免了以往起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，就可延長(zhǎng)水泵機(jī)組和水管閥門等器件的使用壽命；也可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。使系統(tǒng)調(diào)試和使用起來(lái)都十分方便，大大簡(jiǎn)化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析等方面的工作量。以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能最大程度滿足實(shí)際需要，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全的功能，將使供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終獲得高效率優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，從而大大降低自來(lái)水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 本變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制路線是：采用變頻器對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，來(lái)組成變頻供水壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)是泵站的總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的回來(lái)的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值進(jìn)行PID運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和控制水泵電機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而使出水管壓力值穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值附近。同時(shí)本系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，在能源日益短缺的現(xiàn)在尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、以及降低能耗，節(jié)約能源等方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 二 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 本系統(tǒng)是以一個(gè)供水系統(tǒng)作為被控對(duì)象，采用PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制4臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)和停止。從而以達(dá)到變頻恒壓供水的要求。 系統(tǒng)控制要求：（1）生活供水時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該正常壓力工作，消防供水時(shí)系統(tǒng)應(yīng)在高壓下供水。（2）四臺(tái)水泵采用“先開先停”的原則接入和退出。 (3) 水泵電機(jī)的能軟起動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。 (4）變頻器采用遠(yuǎn)方控制方式，具有手動(dòng)控制，方便應(yīng)急和檢修。 (5) 通過(guò)母管壓力變送器測(cè)得實(shí)際壓力大小，同時(shí)和壓力給定組成閉環(huán)控制。 (6) 變頻器的運(yùn)行狀態(tài)指示（如運(yùn)行、停止、過(guò)流、低壓等）。 (7) 系統(tǒng)要有必要的完善報(bào)警處理。2.2控制方案的確定供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性，是在供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤嵯拢迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線，如圖2-1可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小取決于用戶的用水情況，揚(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程H與用水流量間的關(guān)系。圖2-1中交點(diǎn)QA。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合管阻特性，系統(tǒng)將會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。圖2-1 供水系統(tǒng)的基本特性曲線如圖2-2所示，曲線1表示閥門全部打開時(shí)，供水系統(tǒng)的阻力特性；曲線2表示水泵額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程特性，這時(shí)供水系統(tǒng)在A點(diǎn)：流量為QA揚(yáng)程為HA，電機(jī)的軸功率與面積OQAAHA成正比。要將流量調(diào)整為QB，有兩種方法。(1) 轉(zhuǎn)速不變，將閥門關(guān)小，則工作點(diǎn)移至B點(diǎn)，流量為QB，揚(yáng)程為HB，電機(jī)的軸功率與面積QQBBHB成正比。(2) 閥門開度不變，降低轉(zhuǎn)速，閥門的開度不變，降低轉(zhuǎn)速后揚(yáng)程特性曲線如圖2-2中的曲線4所示，工作點(diǎn)移至C點(diǎn)，流量也為QB，揚(yáng)程為HC。電機(jī)的軸功率與QQBCHC成正比。將上述兩種方法加以比較，很容易的看出，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來(lái)調(diào)節(jié)流量，電機(jī)的功率將大為減少。 圖2-2水泵的流量調(diào)節(jié) 對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻恒壓控制，是為了滿足對(duì)用戶對(duì)流量的需求。所以，流量是本系統(tǒng)的主要控制對(duì)象。但如上所述，流量的大小主要取決于揚(yáng)程，但揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制。考慮到在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系有關(guān)：供水流量Qg用水需求Qu，則壓力上升(P增加）；供水流量Qg用水需求Qu，則壓力下降(P下降）；供水流量Qg用水需求Qu，則壓力不變(P不變）。由此可見，供水流量與用水需求之間的矛盾具體將反映在流體壓力的變化上。因此，水管壓力可以作為控制流量大小的主要參變量。保持供水系統(tǒng)中某處壓力值的恒定不變，就可以保證了供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，就會(huì)很好處的滿足了用戶所需的用水流量。根據(jù)電機(jī)學(xué)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： (2-1)其公式中：f 是穩(wěn)壓器頻率、 p是極對(duì)數(shù)、n是轉(zhuǎn)速、s 是轉(zhuǎn)差率。從上式可以看出，當(dāng)極對(duì)數(shù)p不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源頻率戚正比，因此調(diào)節(jié)異步電機(jī)供電電源的頻率，也就可以連續(xù)平穩(wěn)地調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在變頻調(diào)速時(shí)，、高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平穩(wěn)性較高等優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，目前被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。在供水系統(tǒng)中，通常以流體流量為控制目的，目前常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。其中閥門控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量，而水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量大小，但是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，需要多少水，就抽多少水，水泵的效率不變，但總處于最佳狀態(tài)。 本系統(tǒng)主要硬件組成有壓力傳感器、變頻器、可編程PLC、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用變頻器控制四臺(tái)水泵，來(lái)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由PLC和變頻器組成的恒壓控制方式靈活方便，便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，而且又能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)PLC，一臺(tái)變頻器，水泵機(jī)組（本系統(tǒng)為4臺(tái)），一個(gè)壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構(gòu)成。各部分功能如下： （1）水泵用來(lái)提高水壓以實(shí)現(xiàn)向高處供水；（2）壓力變送器安裝于供水管道出口上將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；（3）變頻調(diào)速器主要用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量目的；（4）PLC主要用于水泵的邏輯切換、控制等；（5）外圍輔助電路是當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)隨時(shí)可以通過(guò)手工檔方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)供水。（6）報(bào)警信號(hào)是當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，具有報(bào)警作用。 系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC控制系統(tǒng)使變頻器循環(huán)控制4臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)出口水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，而且同時(shí)對(duì)運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理。通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)管道壓力信號(hào)不斷反饋給變頻器，變頻器根據(jù)信號(hào)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時(shí)還不能滿足要求時(shí)在由PLC自動(dòng)把那臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，變頻器自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵使其軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時(shí)在自動(dòng)進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到水泵切換時(shí)電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象，各種連鎖保護(hù)及報(bào)警、應(yīng)急措施。圖2-3系統(tǒng)總體框圖從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。(1)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)包括PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 PLC系統(tǒng):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)行采集取樣，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PID控制算法，從而得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，在通過(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:它主要是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器通過(guò)PLC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)水泵轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定控制。電控設(shè)備:它主要由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(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。（2）信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)水壓信號(hào)反饋信息和系統(tǒng)報(bào)警信號(hào)。水壓信號(hào):反映了用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號(hào)。報(bào)警信號(hào):監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過(guò)載、變頻器是否正常工作，是開關(guān)量信號(hào)。（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是一組水泵，使它們協(xié)調(diào)工作，通過(guò)控制系統(tǒng)的增減泵，保證用戶管網(wǎng)的水壓保持在恒定值附近。（4）報(bào)警裝置一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，離不開報(bào)警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止水泵過(guò)載、變頻器異常、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)PLC收集判斷，從而進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，維護(hù)系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 2.3供水系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)流程圖如圖2-4所示。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器將主水管網(wǎng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再經(jīng)PID一系列的運(yùn)算后將結(jié)果送給變頻器，并給出信號(hào)控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵水量來(lái)保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，壓力值和參數(shù)設(shè)定都可以由人機(jī)界面完成。主要由PLC、變頻器、壓力變送器、水泵機(jī)組等構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號(hào)及其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短可作為PLC進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù)。水泵在起動(dòng)時(shí)的急轉(zhuǎn)和突然停機(jī)時(shí)的水錘現(xiàn)象往往會(huì)造成管道松動(dòng)和破裂，嚴(yán)重的話可能造成電動(dòng)機(jī)的損壞，但水泵采用變頻器調(diào)速后，可以根據(jù)實(shí)際的需要，實(shí)現(xiàn)水泵的軟啟和軟停，從而使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決?？梢员苊馑瞄L(zhǎng)期滿負(fù)載狀態(tài)，減緩老化，也具有節(jié)能的作用，節(jié)電率一般在15%40%之間。圖2-4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)流程圖如圖2-5所示為電控系統(tǒng)主電路。四臺(tái)電機(jī)分別為MA1、MA2、MA3 、MA4，接觸器QA1、QA3、QA5、QA7，分別控制四臺(tái)電機(jī)的工頻運(yùn)行。接觸器QA2、QA4、QA6、QA8分別控制四臺(tái)電機(jī)的變頻的運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3，F(xiàn)R4，分別為四臺(tái)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；QA10、QA20、QA30、QA40、QA50，分別為變頻器和四臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)的主電路的隔離開關(guān)；QA0為主電源的電路總開關(guān)，VVVF為本設(shè)計(jì)所選的變頻器。圖2-5 主電路電器原理圖增泵工作過(guò)程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3、4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)行速度主要由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力設(shè)定值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之則下降。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)到設(shè)定值時(shí)，就需進(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關(guān)斷開，1泵電機(jī)直接切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接，控制2泵進(jìn)行調(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，還沒(méi)達(dá)到要求時(shí)，則將3水泵切換到工頻，4水泵投入變頻運(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)供水壓力大于設(shè)定值時(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設(shè)定值時(shí)，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)將最后一臺(tái)正在運(yùn)行的水泵置于低速運(yùn)行。3水泵機(jī)組選型3.1選型基本要求 工作水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)的選擇，應(yīng)根主要據(jù)用水量變化，要求的水壓大小，機(jī)組的效率和功率因素等確定。水泵和電動(dòng)機(jī)是供水系統(tǒng)的能耗重要組成部分，水泵選擇恰當(dāng)與否和能耗費(fèi)用有很大的關(guān)系。但選泵時(shí)應(yīng)先要滿足供水系統(tǒng)的要求:(1)水泵揚(yáng)程應(yīng)略大于實(shí)際供水高度；(2)水泵機(jī)組最大流量應(yīng)大于實(shí)際最大供水量；(3)水泵能力足以供應(yīng)最高用水量時(shí)的用水量，揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量；(4)水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡(jiǎn)單，以減少供水的沿程壓力，局部壓力損失；(5)盡量滿足安裝管理方便。3.2容量的確定 設(shè)某學(xué)校公寓共有5棟樓，均為7層，每層20間，總間數(shù)5*7*20=700間。樓宇總最大高度約為32米。 （1） 經(jīng)過(guò)我調(diào)查分析，用水量主要分三個(gè)階段。 (1)最大用水量；(一間10桶/h) (2)基本用水量；(一間5桶/h) (3)最少用水量；（一間1桶/h) （2）、宿舍的調(diào)查（現(xiàn)取平均值，單間公寓宿舍平均住4人）： N=5*7*20*4=2800 （3）5棟公寓宿舍總共日用水量統(tǒng)計(jì)如下（以小時(shí)為單位）：1、 最大用水量=10桶 *0.02 m* 700間=140 mh、基本用水量=5桶* 0.02 m *700間=70mh、最少用水量=1桶 0.02m * 700間=14 mh 經(jīng)上統(tǒng)計(jì)，學(xué)校公寓日用水量制成表格如下：時(shí)段用水量（單位：mh）備注0：00-1:0070基本用水量1:00-2:0070基本用水量2:00-3:0014最少用水量3:00-4:0014最少用水量4:00-5:0014 最少用水量5:00-6:0014最少用水量6:00-7:0070基本用水量7:00-8:00140最大用水量8:00-9:0070基本用水量9:00-10:0070基本用水量10:00-11:0070基本用水量11:00-12:0070基本用水量12:00-13:00140最大用水量13:00-14:0070基本用水量14:00-15:00140最大用水量15:00-16:0070基本用水量16:00-17:0070基本用水量17:00-18:00140最大用水量18:00-19:0070基本用水量19:00-20:0070基本用水量20:00-21:0070基本用水量21:00-22:00140最大用水量22:00-23:0070基本用水量23:00-0:0070基本用水量表3-1 水量使用情況表為了計(jì)算方便，現(xiàn)取這些用水點(diǎn)日用水量為最大用水量的2%，即：140m /小時(shí)* 2%=2.8mh 因此我們可以得出，在高峰期校園公寓的最大用水量為（單位：mh)： q=140+7=142.8mh在計(jì)算揚(yáng)程時(shí)一般以供水區(qū)域內(nèi)最高建筑物的高度作為依據(jù)，理論上若0.1MP 可以獲得約10米的揚(yáng)程，一般要求泵的額定揚(yáng)程 為其計(jì)算所得的裝置的最大揚(yáng)程 的1.11.15倍。校園公寓相對(duì)水泵的最大的高度約為32米，因此 H0=1.1532=36.8m因此所需要的供水壓力約為0.368MPa3.3水泵型號(hào)確定 （1）水泵的有效功率Pu確定：泵在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)液體所做有用功即泵的輸出功率，稱為有效功率（單位為kW）。它和流量、揚(yáng)程的關(guān)系如下其式中 為液體密度（單位為kg/m）；g為重力加速度（9.81m/s2 ）；q為泵的流量（單位為單位為m3 /h）；H為泵的揚(yáng)程。由于一般要求泵的額定流量 為其計(jì)算所得的裝置的最大流量的1.11.15倍。( q=1.15*142.8/3600=0.0456ms)則計(jì)算得：Pu=16.46 kw（2）軸功率Pa泵在一定的流量和揚(yáng)程工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸送給泵軸的功率，即輸入泵的功率，又稱泵的輸入功率。（3）泵的效率確定： 一般小型泵的效率為0.60.7，而大型泵可達(dá)0.80.9。根據(jù)泵房大小和安裝要求，我們選擇小型泵 ，因此取泵的效率為0.6 來(lái)進(jìn)行計(jì)算，則軸功率為（4）電動(dòng)機(jī)總功率 Pg=Pa（1.11.2）Pg=27.431.2=32.91kw綜上所述，我們選用4臺(tái)功率為11KW的電機(jī)進(jìn)行工作。三臺(tái)工作和一臺(tái)備用 （5）電機(jī)型號(hào)的確定 根據(jù)我們的安裝條件和實(shí)際情況需求，以及對(duì)比電機(jī)選型及參數(shù)手冊(cè)可得四臺(tái)11kw的電機(jī)型號(hào)為y160m1-2. 表3-2 電機(jī)參數(shù)表（6）泵的型號(hào)的確定: 對(duì)于11kw的電機(jī)所搭配的泵，同理我們可以讀出如下數(shù)據(jù)，由此表對(duì)比可以得出：對(duì)于11kw的電機(jī)所搭配的泵的型號(hào)為：80LG50-202 型號(hào) 流量 揚(yáng)程 轉(zhuǎn)速 軸功率 功率 效率 葉輪外徑50LG24-204 24 80 2950 7.58 11 69 13450LG24-205 24 100 2950 9.47 11 69 13480LG50-202 50 40 2950 7.26 11 75 13580LG50-203 36 60 2950 8.11 11 72.5 136 表3-3 泵參數(shù)表 4 變頻器的選型4.1 變頻器簡(jiǎn)介 變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源，從而以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速。變頻器主要包括控制電路、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(duì)主電路的控制作用，整流電路的作用是將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)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。 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。 目前變頻器的總體發(fā)展趨勢(shì)向結(jié)構(gòu)的小型化，專用化，網(wǎng)絡(luò)化，高水平的控制等方向發(fā)展。4.2 變頻器的確定在交流變頻器中使用的控制方式主要有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方式。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，在改變電源頻率而進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，直接可以改變頻率到達(dá)控制速度的目的，但不能達(dá)到很高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。但在一般精度不高的場(chǎng)所都使用此類控制方式。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，根據(jù)得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。但其復(fù)雜，一般用于精度要求高的地方。 (3) 矢量控制 矢量控制通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，從而達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。通過(guò)控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，達(dá)到各種不同的控制目的。(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)檢測(cè)定子電阻來(lái)觀測(cè)定子磁鏈的目的，省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也可以輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能，成本較高，所以一般用于高精度場(chǎng)所。(5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對(duì)一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，選用變頻器時(shí)不一定檔次越高越好，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(shí)惠。當(dāng)一臺(tái)變頻器控制驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)時(shí)，最佳選擇U/f的控制模式，下表中參數(shù)供選用時(shí)參考。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PID調(diào)節(jié)器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I150%200%靜態(tài)速度精度/%（0.20.3）（0.20.3）0.20.20.020.2適用場(chǎng)合一般風(fēng)機(jī)、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(dòng)、高精傳動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制負(fù)荷起動(dòng)、起重負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大負(fù)載表4-1控制模式參數(shù)表 故綜上所述選擇U/f=C為變頻器的控制方法變頻器的容量確定 變頻器的容量關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因此合理的容量將保證最優(yōu)的投資。當(dāng)一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，變頻器的容量應(yīng)比多臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量之和都要大，變頻器的總?cè)萘康脑瓌t是變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大于被驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的功率和電流。因?yàn)樽冾l器的過(guò)載能力遠(yuǎn)沒(méi)有電機(jī)的過(guò)載能力強(qiáng)，一旦電機(jī)過(guò)載，損壞的首先將是變頻器。以下給出了從電流、效率、計(jì)算功率等三種基本的容量選擇方法;1、 從電流的角度考慮 大多數(shù)變頻器容量都可從三個(gè)角度選擇：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)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。在選擇變頻器時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)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(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。其重要的是，在確定變頻器容量前應(yīng)了解設(shè)備的工藝情況以及電動(dòng)機(jī)各參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。 2、 從系統(tǒng)效率方面 系統(tǒng)最終效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有當(dāng)兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，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(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：（1） 變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適。（2）當(dāng)變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率。（3）電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。（4）經(jīng)測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，也可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器。（5）當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，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、從計(jì)算功率的角度對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足以下3個(gè)計(jì)算公式：(1)滿足負(fù)載輸出：PcnPm (3.1)(2)滿足電動(dòng)機(jī)容量：Pcn3KUeIe cos 10 -3 (3.2)(3)滿足電動(dòng)機(jī)電流：IcnKIe(3.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），Pm-負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率（單位KW）， U為電動(dòng)機(jī)額定電壓（單位V），Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流（單位A），為電動(dòng)機(jī)效率（通常約為085），cos為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補(bǔ)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(yīng)有所增加，通常K約為10511）。 將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得Pcn=12.9kw ，Icn=23.98A所取變頻器三墾SAMCO-vm05-11k額定容量為16.6kw,額定電流為24A的變頻器。該變頻器采用 V/f 分離與自由的 V/f 圖形功能，完全應(yīng)對(duì)各類電機(jī)的特殊要求，具有自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能、 低電壓補(bǔ)償功能，隨時(shí)應(yīng)對(duì)惡劣的電網(wǎng)環(huán)境、 超強(qiáng)通訊功能，應(yīng)對(duì)多種總線需求、具備輸入、防止電源斷線損壞，變頻器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置PID反饋控制功能。4.3 變頻器外圍設(shè)備選擇1、 斷路器 變頻器需要檢修時(shí)，或者因某種原因而長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當(dāng)變頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時(shí)，過(guò)電流，電源電壓過(guò)低時(shí)進(jìn)行保護(hù)。選擇主要原則如下：(1)變頻器在剛接通電源的瞬間，對(duì)電容器的充電電流可達(dá)額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進(jìn)線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^(guò)額定電流；(3)變頻器允許的過(guò)載能力為150%，1min。為了避免誤動(dòng)作，斷路器的額定電流應(yīng)選：=24*1.4 =33.6A (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QF=40A。2、 接觸器(1)主要作用： 可通過(guò)按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)切斷電源。(2)選擇原則：接觸器選擇主要考慮電動(dòng)機(jī)在工頻的啟動(dòng)情況，其觸點(diǎn)電流可以按電動(dòng)機(jī)的額定電流在加大一個(gè)檔次來(lái)選擇，由于接觸器自身并無(wú)保護(hù)功能，不存在誤動(dòng)作的問(wèn)題，故選擇原則是主觸點(diǎn)的額定電流=33.6即可，可以選擇主觸點(diǎn)額定電流為35的接觸器。3、 制動(dòng)電阻 準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)電阻值十分麻煩，在實(shí)際工作中基本不用。許多變頻器的使用說(shuō)明書上給了一些計(jì)算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動(dòng)電阻的規(guī)格。但按說(shuō)明書上選擇電阻時(shí)須注意下面問(wèn)題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動(dòng)電阻檔次，常常對(duì)若干種不同容量的電動(dòng)機(jī)提供相同阻值和容量的制動(dòng)電阻。選用時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較小者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應(yīng)根據(jù)制動(dòng)過(guò)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(dòng)電阻。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較大者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動(dòng)的場(chǎng)合，或者如起重機(jī)械那樣，需要釋放位能的場(chǎng)合，上述制動(dòng)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(dòng)電4、 壓力傳感器 壓力傳感器作用是通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成420mA變化的電流信號(hào)或05V間變化的電壓信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。根據(jù)用水量的大小由PLC控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對(duì)水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對(duì)傳感器。該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、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，供電電源在28V左右，適合作為本系統(tǒng)的反饋信號(hào)供給PLC。下列為CY-YZ-1001實(shí)物圖：5、安裝與配線注意事項(xiàng)（1） 變頻器的輸入端R、S、T和輸出端U、V 、W是絕對(duì)不允許接錯(cuò)的，否則將引起兩相間的短路而將逆變管燒壞。（2） 變頻器都有一個(gè)接地端子“E”，用戶應(yīng)將此端子與大地相接。變頻器與其他設(shè)備，或多臺(tái)變頻器一起接地時(shí)，每臺(tái)設(shè)備都必須分別和地線相接，不允許將一臺(tái)設(shè)備接地端和另一臺(tái)設(shè)備的接地端相接后接地。（3） 在進(jìn)行變頻器的控制端子接線時(shí)，務(wù)必與主動(dòng)線分離，也不要配置在同一配線管內(nèi)，否則可能產(chǎn)生誤動(dòng)作。（4） 壓力設(shè)定信號(hào)線和來(lái)自壓力傳感器的反饋信號(hào)線必須采用屏蔽線，屏蔽線的屏蔽層與變頻器的控制端子ACM連接；屏蔽線與另一端的屏蔽層懸空。5 可編程控制器(PLC)5.1 PLC的定義及特點(diǎn) 在PLC的發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）經(jīng)過(guò)4年的調(diào)查，于1987年的2月頒布了第三稿。終于對(duì)可編程控制器做如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式運(yùn)算操作電子裝置。專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)。它使用可編程序的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算功能，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)程；而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)連成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。PLC的主要特點(diǎn)如下：1、可靠性 為提高抗干擾能力，PLC在硬件和軟件方面都采取了許多措施，在電子線路，機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了許多生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要都采取大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路，I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著完善的通道保護(hù)和信號(hào)調(diào)理電路，結(jié)構(gòu)上，在耐熱、防潮、防塵等都有周到的考慮，而在硬件上，采用隔離、屏蔽、濾波、接地等抗干擾措施，在軟件上、采用數(shù)字濾波等抗干擾和故障診斷措施，采用信息保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)，以及實(shí)施報(bào)警和運(yùn)行信息顯示等，PLC采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作都由無(wú)觸點(diǎn)的電子儲(chǔ)存器件來(lái)完成，所以這些措施都可以使PLC的抗干擾能力和可靠性大大的提高。2、I/O模塊 按PLC的I/O點(diǎn)數(shù)的多少可以將PLC分成三類，小型機(jī)、中型機(jī)和大型機(jī)。小型機(jī)的I/O點(diǎn)數(shù)一般在128點(diǎn)以下，具有較強(qiáng)的通信能力和一定量的模擬量處理能力。中型機(jī)I/O的點(diǎn)數(shù)在1282048點(diǎn)之間，具有極強(qiáng)的開關(guān)量邏輯控制功能，和強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能和模擬量處理能力。而大型機(jī)I/O點(diǎn)數(shù)則在2048點(diǎn)以上。其性質(zhì)已經(jīng)和計(jì)算機(jī)相當(dāng)，具有計(jì)算、控制、調(diào)節(jié)功能，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信聯(lián)網(wǎng)能力和冗余能力。PLC還針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如： 交流或直流； 開關(guān)量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如： 按鈕 行程開關(guān) 接近開關(guān) 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(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、整體和模塊式結(jié)構(gòu) 微型和小型的PLC一般為整體式，整體式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將PLC的基本部件，如CPU板，I/O接口，電源板等緊湊的安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)整體，組成PLC的一個(gè)基本單元， 為了適應(yīng)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)的大中型PLC和大型PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，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(jiǎn)單易懂 PLC面向底層用戶的智能控制器，因?yàn)槠渥畛醯哪康木褪侨〈^電器邏輯，所以，在PLC誕生之時(shí)，其設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣。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(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、易安裝，易維修 PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。6、 PLC的發(fā)展趨勢(shì) PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度，小體積，大容量，高速度，易使用，高性能，信息化，標(biāo)準(zhǔn)化等方向發(fā)展，5.2 PLC的工作原理PLC的工作方式可分為三個(gè)部分，上電處理、掃描過(guò)程、出錯(cuò)處理等，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(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過(guò)程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過(guò)程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。5.3 PLC及壓力傳感器的確定 由設(shè)計(jì)題目要求：水泵M1、M2、M3、M4可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需要14個(gè)數(shù)字和1個(gè)模擬輸出點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求需要6個(gè)數(shù)字和1個(gè)模擬輸入，綜上所需，選擇西門子的S7-200系列PLC足以滿足要求。如果選用CPU224PLC，也需要擴(kuò)展單元；但如果用CPU226PLC，則價(jià)格較高，浪費(fèi)較大，參考西門子S7200產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格，選用CPU224（14輸入/10繼電器輸出）一臺(tái)，加上一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM222（8點(diǎn)繼電器輸出）再擴(kuò)展一個(gè)模擬量模塊EM235（4AI/AO），這樣配置比較經(jīng)濟(jì)。在S7200系列PLC可以適用于小型的檢測(cè)、監(jiān)控及控制的自動(dòng)化場(chǎng)合，如果CPU自帶的I/O點(diǎn)數(shù)不夠用需要加擴(kuò)展模塊時(shí)，可以提供常用的模擬量和開關(guān)量的模塊供您選擇。S7200系列PLC模擬量模塊采用的是12位分辨率，一般場(chǎng)合下精度夠用了。 6變頻器與PLC的連接及設(shè)定6.1、I/O分配和變頻器參數(shù)設(shè)置：控制系統(tǒng)的I/O信號(hào)的名稱，代碼及地址編號(hào)如下圖，水位上下限信號(hào)分別I0.1、I0.2，它們?cè)谒蜎](méi)時(shí)為0，露出時(shí)為1。名 代號(hào)地址編號(hào)信號(hào)輸入消防信號(hào)SFOI0.0水池水位下線信號(hào)BGLI0.1水池水位上線信號(hào)BGHI0.2變頻器報(bào)警信號(hào)KFUI0.3消鈴按鈕SF9I0.4試燈按鈕SF10I0.5遠(yuǎn)程壓力表模擬量壓力值UPAIWO輸出信號(hào)1#水泵工頻運(yùn)行及指示燈QA1，PG1Q0.01#水泵變頻運(yùn)行及指示燈QA2，PG2Q0.12#水泵工頻運(yùn)行及指示燈QA3，PG3Q0.22#水泵變頻運(yùn)行及指示燈QA4，PG4Q0.33#水泵工頻運(yùn)行及指示燈QA5，PG5Q0.43#水泵變頻運(yùn)行及指示燈QA6，PG6Q0.54#水泵工頻運(yùn)行及指示燈QA7，PG7Q0.64#水泵變頻運(yùn)行及指示燈QA8，PG8Q0.7生活/消防轉(zhuǎn)換電磁閥MB2Q1.0水池水位上線信號(hào)報(bào)警燈PG9Q1.1變頻器故障信號(hào)報(bào)警燈PG10Q1.2火災(zāi)報(bào)警指示燈PG11Q1.3報(bào)警電鈴PBQ1.4變頻器頻率復(fù)位控制KFQ1.5控制變頻器頻率電壓信號(hào)VfAQWO 表6-1 I/O分配表 變頻器參數(shù)設(shè)置，正確的變頻器的設(shè)定對(duì)系統(tǒng)影響至關(guān)重要，下表為本系統(tǒng)的一些參數(shù)設(shè)定值：序號(hào)功能代號(hào)功能名稱設(shè)定值備注1071選擇電機(jī)控制模式4內(nèi)置PID2160選擇供水購(gòu)件的模式111控43161167使用電動(dòng)機(jī)的設(shè)定161=1,162=1,163=1,164=1根據(jù)系統(tǒng)所帶電動(dòng)機(jī)4001選擇運(yùn)轉(zhuǎn)指令2停電時(shí)自動(dòng)再啟動(dòng)5007上限頻率/HZ50根據(jù)需要6008下線頻率/HZ20根據(jù)需要7003U/F圖形2根據(jù)水泵設(shè)定8175壓力指令/MPa0.36根據(jù)需要9177模擬反饋增益壓力/MPa0.6遠(yuǎn)傳壓力表量程值10178上線壓力/MPa0.38根據(jù)實(shí)際11179下線壓力/MPa0.34根據(jù)實(shí)際12002選擇1速頻率的設(shè)定方法1使指令與反饋不沖突13630輸入端子D11定義選擇1正傳指令“FR”14631輸入端子D12定義選擇5空轉(zhuǎn)指令“MBS”表6-2 變頻器參數(shù)設(shè)置表 6.2控制電路外圍接線：如下圖6-1電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SF為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，SF打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)，手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SF1SF10控制四臺(tái)水泵的啟/停和電磁閥MB2的通/斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序的控制下運(yùn)行。由于電磁閥的MB2沒(méi)觸點(diǎn)，所以要使用一個(gè)中間斷電器KF1間接控制MB2，來(lái)實(shí)現(xiàn)MB2手動(dòng)自鎖功能。圖中的PG12動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的電源指示燈，對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只能提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)。由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)可作為一個(gè)組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以要通過(guò)一個(gè)中間繼電器KF的觸點(diǎn)來(lái)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中Q0.0Q0.7及Q1.0Q1.5為PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，邊上的2、4、6數(shù)字線為接線編號(hào)。圖6-1電控系統(tǒng)控制電路 外圍接線圖如下6-2所示PLC以及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)信號(hào)SFO被觸動(dòng)，I0.0為1，報(bào)警電鈴想起。下圖只是簡(jiǎn)單表明PLC和外部擴(kuò)展模塊的外圍接線，并沒(méi)有表現(xiàn)按嚴(yán)格意義的外圍接線情況，忽略了一些較不主要的因素例如：直流電源的容量，電源方面的抗干擾措施，輸出方面的保護(hù)措施，系統(tǒng)的保護(hù)措施等；圖6-2 PLC外圍接線圖本程序分為三個(gè)部分；主程序、子程序和中斷程序。 邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序，系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)約掃描時(shí)間，利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣及輸出控制，生活供水系統(tǒng)設(shè)定值為最大量程的70%，但是消防用水系統(tǒng)設(shè)定值為90%，在本系統(tǒng)中，只是用比例P和積分I控制，回路增益和時(shí)間常數(shù)在通過(guò)工程計(jì)算初步確定，但是要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)效果，本系統(tǒng)由參考書PID指令的使用一節(jié)初步確定增益和時(shí)間常數(shù)：增益Kc=0.25;Ts=0.2s積分時(shí)間Ti=30min程序中使用的PLC元器件及其功能表如下;器件地址功能器件地址功能VD100過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T39工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD104壓力給定值T40工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD108PI計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)M0.1泵變頻啟動(dòng)脈沖VD116采樣時(shí)間M0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD120積分時(shí)間M0.4復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖VD124微分時(shí)間M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD204變頻器運(yùn)行頻率下限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD208生活供水變頻器運(yùn)行頻率上限M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD212消防供水變頻器運(yùn)行頻率上限M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD250PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作的水泵號(hào)M2.3泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運(yùn)行的水泵的總臺(tái)數(shù)M3.0故障信號(hào)匯總VD310倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器M3.1水池水位下限故障邏輯T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.2水池水位下限故障消鈴邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.3變頻器故障消鈴邏輯T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制M3.4火災(zāi)消鈴邏輯T38工頻減增泵濾波時(shí)間控制表6-3 器件及其功能表7系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)7.1 PLC控制程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要以PLC和變頻器為核心，控制四臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行工作，本系統(tǒng)主要程序能完成成套裝置的全部控制任務(wù)，下為程序結(jié)構(gòu)圖：圖7-1 PLC程序結(jié)構(gòu)S7-200PLC在STEP7-MicroWIN-V40環(huán)境下具有程序編制，通訊口配置，運(yùn)行監(jiān)控，輸入輸出以及模擬量的輸入濾波設(shè)置等功能，該軟件指令集包包含三種語(yǔ)言，語(yǔ)句表語(yǔ)言（STL），梯形圖語(yǔ)言（LAD），功能塊圖（FWD),語(yǔ)句表語(yǔ)言類似計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工作人員，而梯形語(yǔ)言最接近繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電器原理圖，是應(yīng)用最多的一種語(yǔ)言。功能完善，操作方便。PLC控制程序由一個(gè)主程序和若干子程序組成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò)PC/PPI電纜把程序下載到PLC，控制任務(wù)的完成，在通過(guò)RUN模式下主機(jī)循環(huán)掃描下執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC的主程序主要由系統(tǒng)初始化程序，水泵電機(jī)啟動(dòng)程序，4臺(tái)水泵電機(jī)的變頻/工頻切換程序，水泵電機(jī)換機(jī)程序模擬量（壓力，頻率）計(jì)算比較程序，和報(bào)警程序等。（1）初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在工作的時(shí)候?qū)φ麄€(gè)，先對(duì)各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，報(bào)警處理，以及對(duì)上下頻率，PID控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，在初始化最后進(jìn)行中斷連接，系統(tǒng)進(jìn)行初始化是主程序進(jìn)行調(diào)用主程序來(lái)完成的。（2）增，減泵判斷操作程序 當(dāng)PID調(diào)節(jié)結(jié)果大于或等于變頻運(yùn)行上限頻率時(shí)（或小于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，定時(shí)器記時(shí)5min后執(zhí)行工頻水泵增加一臺(tái)（或減一臺(tái)）操作，并產(chǎn)生相應(yīng)的變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)。（3）水泵軟啟動(dòng)程序 增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)一臺(tái)水泵運(yùn)行連續(xù)超過(guò)3個(gè)小時(shí)后，自動(dòng)倒泵變頻運(yùn)行。（4） 水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體相同，以1#水泵為例進(jìn)行說(shuō)明，第一次上電后，故障消除或產(chǎn)生1#水泵啟動(dòng)脈沖并且系統(tǒng)無(wú)故障產(chǎn)生，未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)1#水泵工作在工頻狀態(tài)時(shí)，Q0.1置1，QA2常開