變頻恒壓供水系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

綜合實訓報告實訓項目： 系 部： 電氣工程系 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 姓 名： 同組成員： 指導教師： 日 期： 摘要隨著社會的發(fā)展，恒壓供水越來越重要。本系統(tǒng)以PLC與變頻器控制水泵工作，根據(jù)壓力給定的理想值信號及管網(wǎng)水壓的反饋信號進行比較，變頻器根據(jù)比較結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達到控制管網(wǎng)水壓的目的。文中重點敘述了變頻節(jié)能原理，恒壓供水原理及PID控制方式。并提供控制系統(tǒng)硬件和控制軟件，經(jīng)現(xiàn)場模擬調(diào)試成功，實現(xiàn)運行可靠、節(jié)能、低噪，維護簡單等效果。恒壓供水是指在供水網(wǎng)系中用水量發(fā)生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力變送器等構(gòu)成。共三臺電機，其中由一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運行與調(diào)速，1臺電機備用?？刂葡到y(tǒng)中采用德國SIEMENS公司的S7-300可編程控制器來控制水泵電機的投入臺數(shù)及運行方式；同時利用其中的數(shù)字PID控制器，由FB41將壓力給定值與測量值的偏差進行處理，實時控制變頻器的輸出頻率，進而改變水泵電動機的轉(zhuǎn)速來改變水泵出水口流量，實現(xiàn)管網(wǎng)壓力的自動調(diào)節(jié)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。此方法具有短路保護、過載保護功能，工作穩(wěn)定可靠，大大延長了電機的使用壽命關(guān)鍵詞： 恒壓供水；PLC控制；閉環(huán)PID 目錄摘要.1一：引言.二：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)簡介. 1.恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義. 2.恒壓供水系統(tǒng)的特點.三：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析. 1.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成. 2.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論模型.四：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計與選型. 1.變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 2.變頻恒壓供水系統(tǒng)器件選型. 1）可編程邏輯控制器（plc）簡介 2）變頻器簡介. 3)變頻器與plc的連接. 4)壓力傳感器的簡介. 3.變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路設(shè)計 4.變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計. 1)控制系統(tǒng)主程序設(shè)計. 5. PID設(shè)計 1）PID控制. 五：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)調(diào)試六：總結(jié).七：研究愿望.參考文獻附件.致謝詞.一：引言隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。而我們國家是個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、小區(qū)供水，尤其縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動化程度低。而其中的老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當?shù)姆磻?。在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的解決辦法是采用高位水箱、水塔和各種氣壓罐進行蓄水加壓，依賴擋板和閥門的阻力調(diào)節(jié)水流量。這種靠水的勢能或氣壓供水方式具有占地面積大、投資高、水泵電機啟動頻繁、耗電多、管網(wǎng)水壓不穩(wěn)、爆管現(xiàn)象頻繁、漏失嚴重等缺點；不僅生活用水容易受到二次污染，而且水泵電機的頻繁開啟使設(shè)備故障率高，檢修、維護也存在困難，而且像水塔這樣傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，在維護和升級系統(tǒng)方面，是非常昂貴的。因此，如何利用有效的水源和電能保證各行各業(yè)正常供水，己是迫在眉睫。同時隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和智能控制技術(shù)的迅速發(fā)展并日趨完善，變頻調(diào)速技術(shù)在供水領(lǐng)域得以運用，實現(xiàn)了水泵電機無級調(diào)速，能夠極大地改善給水管網(wǎng)的供水環(huán)境。所有這些現(xiàn)代自動化控制技術(shù)的發(fā)展與應用，無疑為現(xiàn)代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的全自動恒供水系統(tǒng),管道內(nèi)水壓恒定,既可以滿足供水要求,避免出現(xiàn)供水事故,還可節(jié)約電能。變頻恒壓供水系統(tǒng)是利用變頻器、PLC等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代水塔、水箱、氣壓罐等，實現(xiàn)恒壓供水。通過對水泵的智能變頻調(diào)速控制不僅能實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且有利于實現(xiàn)供水的自動控制，遠程監(jiān)測，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化。對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對水的壓力的需求。本文介紹的恒壓供水系統(tǒng)是采用可編程序控制器進行邏輯控制,采用變頻器進行壓力調(diào)節(jié)。變頻器、可編程序控制器作為系統(tǒng)控制的核心部件,時刻跟蹤管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化,經(jīng)PID運算,通過可編程序控制器控制變頻與工頻切換,自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水,在保持恒壓下達到控制流量的目的。 本文首先對供水系統(tǒng)的特性和變頻調(diào)速的原理進行介紹，在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計進行研究，通過學習德國SIEMENS公司的S7-300的硬件及其編程語言，做出控制用的相關(guān)程序。二：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)簡介 1.恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義 泵站擔負著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務，運行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。我國泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動能消耗在水泵、風機負載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負載中占了相當大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠程監(jiān)控技術(shù)與一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。2.恒壓供水系統(tǒng)的特點變頻頻恒壓供水系統(tǒng)在水量增加時，變頻器頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速加快，供水量相應增大；用水量減少時，變頻器頻率降低，水泵轉(zhuǎn)速減慢，供水量亦相應減小，保證了供水效率用戶對水壓和水量的要求，同時達到了提高供水品質(zhì)和供水效率的目的；采用該設(shè)備不需建造高位水箱，水塔，水質(zhì)無二次污染，是一種理想的現(xiàn)代化建筑供水設(shè)備。變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要特點：:均配有穩(wěn)壓泵或穩(wěn)壓罐穩(wěn)壓，在用水量小到一定值時，主泵可停止運轉(zhuǎn)，減少水泵電機的機械磨損并且節(jié)約電能。與傳統(tǒng)供水方式相比變頻恒壓供水能節(jié)能30%-60%。:結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，安裝快，投資省，運行穩(wěn)定，無污染，效率高。:配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。:運行合理，由于一天內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速下降，軸上的平均扭矩和磨損減少，水泵的壽命將大為提高。:由于能對水泵實現(xiàn)軟停和軟起，消除了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。:采用單片機，程序靈活多變，精度高，可靠性強，反映速度塊，操作簡便，省時省力。三：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論分析 1.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構(gòu)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，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。 圖1-1水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機的電源頻率，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(shè)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。2.變頻恒壓供水控制系統(tǒng)理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi)，恒壓控制的目標就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。 圖1-2從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，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(shè)定壓力相等為止。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。四：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計與選型 1.變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計變頻恒壓供水系統(tǒng)由控制柜，壓力傳感器，異步電動機及水泵組成，由此構(gòu)成一個壓力負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器將管道中的水壓值變換成電信號(420mA)，送入系統(tǒng)內(nèi)置數(shù)字PID控制器進行比較，其偏差值經(jīng)控制運算后，去控制變頻器的輸出頻率，通過上位機對當前壓力信號的反應，再由PLC控制三臺水泵電機在工頻電網(wǎng)與變頻器輸出之間切換，改變?nèi)_水泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)。控制部分是以德國SIEMENS可編程序控制巡檢綜合判定，控制輸出三個邏輯過程。電氣部分包括對水泵電機，變頻器的啟器S7-300為核心，實現(xiàn)信號采集，動、停止，以及故障檢測，指示燈的控制，S7-300據(jù)有豐富的指令系統(tǒng)，并且依托STEP7-V5.3良好的編程界面，很方便程序編制和現(xiàn)場調(diào)試。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。傳動裝置用了富士變頻器，適用于異步電機無級調(diào)速控制。該變頻器的輸出控制方式為恒壓頻比以及IGBT大功率晶體管模塊。其優(yōu)點之一是具有高的切換頻率，可輸出低諧波分量的正弦波，在低速時電機有更大的輸出轉(zhuǎn)矩，降低電機的損耗和噪音，減少了電機運行時的溫升。變頻器可將輸出頻率在控制范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，控制精度為0.1Hz，從而達到電機依據(jù)負載的變化連續(xù)平滑調(diào)速，減輕了電機的運轉(zhuǎn)抖動。由于變頻調(diào)速實現(xiàn)異步電機軟起動，降低電網(wǎng)的損耗提高了電機運行時的cos中，以致于可以省去為改善功率因數(shù)的電容補償以及相應控制設(shè)備。傳感器選用了設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠傳壓力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。外圍設(shè)備主要包括執(zhí)行設(shè)備，如水泵、接觸器、按鈕、選擇開關(guān)、電流互感器等設(shè)備，由于外圍設(shè)備種類較、型號較雜，且不是本設(shè)計的技術(shù)難點，故對其選型說明簡述至此。2.器件的選型及介紹 1）：可編程邏輯控制器（plc）簡介S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU 模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成。 PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式。OB1 是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。在起動完成后，不斷地循環(huán)調(diào)用OB1，在OB1 中可以調(diào)用其它邏輯塊(FB, SFB, FC 或SFC)。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。在循環(huán)程序處理過程中，CPU 并不直接訪問I/O 模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU 內(nèi)部的輸入/輸出過程映像區(qū)。批量輸入、批量輸出。S7-300PLC是模塊式的PLC，本設(shè)計主要用得的有以下部分： 中央處理單元（CPU）各種CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有狀態(tài)故障指示燈、模式開關(guān)、24V電源端子、電池盒與存儲器模塊盒。信號模塊（SM）信號模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱，它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的電信號電平匹配。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出模塊SM322，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。模擬量輸入模塊可以輸入熱電阻、熱電偶、DC420mA和DC010V等多種不同類型和不同量程的模擬信號。每個模塊上有一個背板總線連接器，現(xiàn)場的過程連接到前連接起的端子上。本設(shè)計主要用到的是模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。功能模塊（FM）功能模塊主要用于對實時性和存儲容量要求高的控制任務，例如計數(shù)器模塊、快速/慢速進給驅(qū)動位置控制模塊、電子凸輪控制器模塊、步進電動機定位模塊、伺服電動機定位模塊、定位和連續(xù)路徑控制模塊、閉環(huán)控制模塊、工業(yè)標識系統(tǒng)的接口模塊、稱重模塊、位置輸入模塊、超聲波位置解碼器等。圖4.1 PLC I/O點及地址分配圖PLC的接線如圖附錄A所示，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，控制系統(tǒng)應具備的輸入/輸出點數(shù)，名稱及地址編號如下表4.2所示。名稱地址編碼名稱地址編碼輸入信號輸出信號水位上限I0.01號水泵工頻運行Q0.0水位下限I0.11號水泵變頻運行Q0.1變頻器報警I0.22號水泵工頻運行Q0.2消鈴按鈕I0.32號水泵變頻運行Q03試驗按鈕I0.43號水泵工頻運行Q0.4變頻器啟動I0.4高低液位報警Q0.5變頻器停止I0.5變頻器報警Q0.6報警聲Q0.7 表4.2 I/O點及地址分配2.變頻器簡介1）變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，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。變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2）變頻器的選型 （1）：控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時不要認為檔次越高越好，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。（2）：變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。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(guān)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(shè)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。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：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)。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。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時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。經(jīng)測試，電動機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。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(shè)置，以利達到較高的節(jié)能效果。3）.變頻器與PLC的連接圖4.3-1 變頻器變頻器與PLC的連接如圖4.3-2所示，其中變頻器各端子功能如下：R,S,T端子為主電路的電源輸入端子，連接三相電源，不需考慮連接相序；U,S,W端子為變頻器輸出連接端子，連接三相電機水泵，如電機轉(zhuǎn)動方向不對，則可交換其中的任意兩相；G端子為接地端子；端子11為模擬輸入信號的公共端子；端子12為設(shè)定電壓輸入端，輸入PID控制的反饋信號，以此來設(shè)定頻率；FWD端子為正轉(zhuǎn)運行/停止命令 端子，端子FWD-CM間：閉合（ON），正轉(zhuǎn)運行；斷開（OFF），減速停止，此端子有PLC輸出點控制；接點輸入公共端CM為接點輸入信號的公共端子；X1為選擇輸入1端子，作為報警復位命令信號端子；Y1、Y2為晶體管輸出1端子與晶體管輸出2端子，為水位上限與下限報警端子；晶體管輸出公共端CME，為晶體管輸出信號的公共端子，端子CM和11在變頻器內(nèi)部相互絕緣；可選信號輸出繼電器端子Y5A,Y5C,為變頻器報警輸出端子。 圖4.3-2 PLC與變頻器的連接4）.傳感器的簡介傳感器的作用是將壓力、溫度等非電量的物理信號轉(zhuǎn)換成電量信號，以便后續(xù)電路進行處理。在此系統(tǒng)中，傳感器將供水管中的壓力轉(zhuǎn)換成電量信號后，傳送到PLC的特殊功能模塊，進行數(shù)據(jù)處理后傳給變頻器控制電動機。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標的要求。并且壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?5V或420mA的模擬量信號，作為模擬輸入模塊(A/D模塊)的輸入，在選擇時，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗。在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用PA表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用P0表示。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用PI表示。即 PI=PA -P0 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。顯然當絕對壓力值PA 小于大氣壓力值P0時，表壓力為負值，所測值稱為負壓力或稱真空壓，它的絕對值稱為真空度。壓力在國際單位制中的單位是牛頓/平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕(Pa)，工業(yè)上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作為壓力的單位。設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠傳壓力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。3.變頻恒壓供水系統(tǒng)系統(tǒng)主電路的設(shè)計供水系統(tǒng)的主電路圖結(jié)合實際情況，本論文的恒壓供水系統(tǒng)的主電路如圖4.3所示。系統(tǒng)共有三臺電機，分別為Ml、M2、M3。其中Ml、M2均可以在工頻或變頻兩種方式下運行，而M3只能工頻運行。每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)，變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護?？諝忾_關(guān)的容量依據(jù)大電機的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)的電動機Ml、M2，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行，KM2、KM4控制M1、M2的變頻運行。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。FR1、FR2、FR3為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器，QS1、QS2分別為變頻器和水泵電機的主電路隔離開關(guān)，F(xiàn)U為主電路的熔斷器，是作為主電路短路保護用的。VF為通用變頻器。 圖4.3 供水系統(tǒng)主電路圖變頻器主電路電源輸入端子(R、S、T)經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U、V、W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉(zhuǎn)方向預設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子(U、V、W)的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。4.變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路設(shè)計圖4.4為本系統(tǒng)的控制電路圖。控制電路中有獨立的自動控制部分和手動控制部分，具有方便的手動和自動切換功能，由控制電路中的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA來實現(xiàn)。SB1、 SB3、SB5分別為1號泵電機、2號泵電機、3號泵電機的啟動按鈕。SB2、 SB4、 SB6分別為1、2、3號泵電機的停止按鈕。HL1、 HL3、HL5分別為三個泵的工頻運行指示燈，HL2、HL4為1，2號泵電機的變頻運行指示燈，HL6、HL7分別為水位下限和變頻器故障報警指示燈，HA為故障電鈴。圖4.4控制系統(tǒng)電路圖其控制線路工作過程如下：A手動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于手動位置時，啟動電機，合上電源開關(guān)Q1、Q2，按下啟動按鈕SB1，接觸器KM1的線圈得電，接觸器KM1的主觸電立即閉合，電動機M1接通電源開始全壓啟動，同時KM1的輔助常開觸電也閉合，使KM1吸引線圈經(jīng)兩條路通電。這樣，當松手SB1復位跳開時，KM1由于自鎖正常運行。要使電動機M1停止運轉(zhuǎn)，只要按一下停止按鈕SB2即可。按下SB2，線圈KM1斷電釋放，則KM1的主觸點斷開電源，同時輔助常開觸電也斷開，控制回路解除自鎖，電動機M1自停車到轉(zhuǎn)速為零。電動機M2、M3同理。在手動方式下，水泵只能工頻運行，無法變頻運行。B自動控制。萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)處于自動位置時，接觸器的通斷由PLC程序控制，變頻器啟動，合上電源開關(guān)Q1、Q2，啟動PLC，開始運行程序，當Q0.0有輸出時，KM1的線圈得電， KM1的主觸電閉合，水泵1開始工頻運行；當Q0.1有輸出時，KM2的線圈得電， KM2的主觸電閉合，水泵1開始變頻運行。其他水泵的動作同理。1）.控制系統(tǒng)主程序設(shè)計 PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動、停止程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。程序流程圖如圖4.4-1所示。圖4.4-1 主程序流程圖.系統(tǒng)初始化程序：在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量(管網(wǎng)壓力、電機頻率)數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。.水泵電機切換程序：水泵電機切換是根據(jù)不同時段管網(wǎng)壓力大小和壓力設(shè)定值的比較結(jié)果來進行切換機的。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)有四個工作狀態(tài)，即1號電機變頻運行；1號電機工頻運行，2號電機變頻運行（三號電機工頻運行）； 2號電機變頻運行；1號電機變頻運行，2號電機變頻運行（三號電機工頻運行）。一般情況下，水泵電機都處于這四種工作狀態(tài)之中，當管網(wǎng)壓力發(fā)生變化時，四種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應轉(zhuǎn)換，因此這四種工作狀態(tài)也對應著四個切換過程。在水泵電機換機程序設(shè)計中，必須認真考慮這幾個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。由于電機切換涉及到不同時段管網(wǎng)壓力大小和設(shè)定值的比較計算；電機反饋頻率的大小比較計算，因此在切換程序設(shè)計中還應包含模擬量(壓力、頻率)比較計算和邏輯運算程序設(shè)計；同時要考慮電機根據(jù)“先起先?！钡脑瓌t，使各泵平均運行以避免一臺泵長期工作，所以切換是根據(jù)電機運行時間的長短來自動完成不同電機間的切換；泵在啟動時有軟啟動功能，即在啟動前變頻器頻率要復位。.報警程序報警程序是依據(jù)電動機的熱繼電器動作進行設(shè)計的，當電動機過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為PLC的輸入條件。對于電動機的熱繼電器輸入，報警指示輸出既需要三個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出?？梢愿鶕?jù)實際情況增加相應的報警功能。5. PID設(shè)計1）.PID控制PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應用的最廣泛的反饋控制方式之一。它的原理如圖4.6所示。圖4.6 PID控制原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成的控制偏差12e(t)=y(t)一r(t) （4-1）將偏差e(t)的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制器，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。PID控制器各個部分的作用及其在控制中的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：比例增益部分(P)用于保證控制量的輸出含有與系統(tǒng)偏差成線性關(guān)系的分量，能夠快速反應系統(tǒng)輸出偏差的變化情況。由經(jīng)典控制理論可知，比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)的增大而減少，但比例系數(shù)過大將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分部分(I)表明控制器的輸出不僅與輸入控制的系統(tǒng)偏差的大小有關(guān)，還與偏差持續(xù)的時間有關(guān)，即與偏差對時間的積分成線性關(guān)系。只要偏差存在，控制就要發(fā)生改變，實現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)偏差為零。因此積分作用主要是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度，改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)。然而，單純的積分作用速度太慢，無法及時對系統(tǒng)的偏差變化做出快速反應。微分部分(D)可以對輸入的變化趨勢做出反應，即它的輸入與輸出的大小無關(guān)，但與輸入量的導數(shù)成線性關(guān)系。它是用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，減小調(diào)節(jié)時間，用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特特性。由于微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中引入了一個零點，如果使用不當會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID的三種作用是各自獨立的，互不影響的。改變一個調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。顯然，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨使用上面任意一種控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當?shù)呐浜?，可以使調(diào)節(jié)器快速、平穩(wěn)、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。一般來說，系統(tǒng)是使用它們的組合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。五：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)調(diào)試計算機（上位機）作為編程通過專用通信電纜與PLC（下位機）進行通信。在連接或斷開專用電纜時，應關(guān)閉控制電源；同時須注意專用電纜接插頭插入的位置，否則易損壞上述儀器設(shè)備。在進行現(xiàn)場調(diào)試時應逐級調(diào)試，即先軟件，再硬件；先弱電，再強電；先低壓，再高壓；先輸入，再輸出；先開環(huán)，再閉環(huán)；先電氣，再機械。PLC的輸入和輸出的公共端COM必須分開，不能直接連接。六：總結(jié)本文針對我國中小城市水廠供水的特點，設(shè)計一套變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器以及接觸器控制柜等。采用一臺變頻器拖動2臺電動機的起動、運行與調(diào)速。壓力傳感器采樣管網(wǎng)輸出點的壓力信號，壓力傳感器輸出的是420mA的電信號，將這個輸出與PLC的模擬量輸入端相連，同時變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給PLC的PID模塊，PLC根據(jù)這兩個信號經(jīng)PID運算，發(fā)出指令，對水泵電機的投入、停止，工頻和變頻之間的切換進行控制。采用模塊化的編程方式進行了PLC程序的設(shè)計、編寫、調(diào)試，使系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)性能、程序控制算法都基本達到系統(tǒng)工藝的要求。恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長泵和電動機的機械使用壽命。實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。七：研究愿望本次設(shè)計內(nèi)容主要包括：恒壓供水系統(tǒng)原理、恒壓供水系統(tǒng)的電氣實現(xiàn)、系統(tǒng)的硬件選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和PLC軟件編程等。由西門子S7 - 300 系列PLC、變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統(tǒng),充分發(fā)揮了PLC 內(nèi)置的PID 運算模塊,自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、投入使用泵數(shù),達到恒壓供水的目的;通過泵號管理程序,實現(xiàn)泵號自動切換,使每臺水泵工作狀況基本相同,提高設(shè)備利用率并減少維修費用;同時通過變頻器自帶保護功能可輕松實現(xiàn)系統(tǒng)故障診斷。實際運行情況證明了本系統(tǒng)具有可靠性高、自動化程度高、便于維護和高節(jié)能性等特點,具有很大的應用價值。隨著各方面技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛的應用，與此同時能量卻日益緊缺，在這種情況下，變頻恒壓供水系統(tǒng)的使用肯定會越來越普及，當然對恒壓供水控制技術(shù)將提出更高的要求。如對系統(tǒng)采用基于GPRS的無線方式進行數(shù)據(jù)的傳輸、通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。另外本文的設(shè)計、控制方法完全可以用于恒風壓控制，進而實現(xiàn)風機的變頻節(jié)能，因為風機和水泵的能耗大約占整個電能能耗的三分之一左右。所以變頻恒壓供水技術(shù)在逐走向成熟的過程中，仍然有必要對其進行更深入的研究。參 考 文 獻1 張國雄.測控電路M. 北京:機械工業(yè)出版社:2006.22 甕維勤，孫洪程.過程控制系統(tǒng)M.北京:化學工業(yè)出版社:2002.73 陳立定，吳玉香，蘇開才.電氣控制與可編程控制器M.廣州:華南理工大學出版社:2000.9.4 吳勤勤.控制儀表及裝置M.北京:化學工業(yè)出版社:2007.15 深圳康沃電氣技術(shù)有限公司.康沃變頻調(diào)速器使用手冊Z.1126.深圳:2006.48496 顧躍.基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)研究D.中南大學碩士學位論文.2004.47 方桂筍. 基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計D.蘭州理工大學碩士學位論文,2008,58 金傳偉，毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用J.上海:華南理工大學,1999，65-689 毛允明.傳統(tǒng)變頻調(diào)速供水設(shè)備能耗問題分析及解決方法J.山東水利,2004.9:4647 10 胡綱衡，唐瑞球，江志敏.交流變頻調(diào)速的切換控制技術(shù)J.電工技術(shù)雜志，2001（6）:43-4511 吳小雨.恒壓變量供水裝置中PLC的應用J.低壓電器，2002，（1）:42-45 12 劉小春.恒壓供水系統(tǒng)控制及組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計D.中南大學碩士學位論文，2008,413 張戟，單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵軟啟動的恒壓供水方法J.計算機技術(shù)與自動化，1999，4:18-20附錄A PLC與變頻器接線圖附錄B 控制系統(tǒng)主電路圖與控制電路圖 致謝詞經(jīng)過幾個月的時間，經(jīng)過查資料、整理材料、寫作論文，最終論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝我的指導老師頡新春，因為論文是在頡老師的悉心指導下完成的。本論文從選題到完成，每一步都在頡老師的指導之下，傾注了頡老師大量的心血。在此，謹向頡老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！謝謝頡老師在我撰寫論文的過程中給與我的極大地幫助。同時，論文的順利完成，離不開其它各位老師、同學和朋友的關(guān)心和幫助。另外，要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是你們的悉心教導使我有了良好的專業(yè)課知識，這也是論文得以完成的基礎(chǔ)。通過此次的畢業(yè)設(shè)計，我學到了太多太多的知識，過去我們只是被動的學習，老師教什么我們學什么，而在做畢業(yè)設(shè)計的過程中我們變被動為主動，根據(jù)設(shè)計的需要自己去學習去解決問題，對于不懂之處積極尋求答案，在此獲得很多老師的幫助；在設(shè)計過程中出現(xiàn)的任何問題都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的；而且要學會與同學們一起合作，這樣會事半功倍。這些都為我們走向社會打了一個很好的基礎(chǔ)。再次感謝我在大學傳授給我知識以及給我?guī)椭凸膭畹睦蠋?，同學和朋友，謝謝你們!