信息與通信基于PLC的高樓恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于plc的高樓恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理；具體分析了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，通過研究和比較，得出結(jié)論:變頻調(diào)速是當(dāng)今國際上一項(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)。因此本文以采用變頻器和plc 組合構(gòu)成系統(tǒng)的方式，以某居民小區(qū)水泵電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為對象，逐步闡明如何實(shí)現(xiàn)水壓恒定供水。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)，控制電路設(shè)計(jì)。對輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共有10個(gè)輸入輸出點(diǎn)，根據(jù)plc的選型原則，設(shè)備選用了在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的西門子公司生產(chǎn)的s7-200系列(cpu222)的plc和mm430泵類專

2、用的變頻器，利用變頻器的本身自有的軟啟動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的啟動(dòng)。在控制過程中，電控系統(tǒng)由s7-200完成，pid控制由變頻器的內(nèi)置pid控制方式完成，根據(jù)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和控制要求，結(jié)合變頻器的功能參數(shù)表預(yù)置了相關(guān)的參數(shù)。在介紹了plc的編程方法的基礎(chǔ)上，選用了適合初學(xué)者的邏輯代數(shù)編程，寫出了恒壓變頻供水的邏輯代數(shù)，并設(shè)計(jì)了梯形圖，結(jié)果表明了設(shè)計(jì)程序的正確性。關(guān)鍵詞：恒壓供水，變頻調(diào)速，plc，設(shè)計(jì)，仿真tall building constant pressure water supply system based on plcabstractin this paper, pipe net

3、work and pumps under the operation of the curve, clarify the water supply system for energy-saving frequency control principle; specific analysis of the frequency of the principle of constant pressure water supply system and the composition of the structure, through research and comparison, conclude

4、d: frequency control is the highest international one-effectiveness, performance, the best and most widely, the most the future development of the motor technology. therefore this paper to adopt the plc and inverter combination of a systematic approach to a small residential area pump motor control

5、system for the targe.a control system for the main circuit design, control circuit design. the input and output points to the statistics, a total of 13 input and output, the plc in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of the most widely produced by siemen

6、s s7-200 series (cpu222) of the plc and pumps for mm430 the converter, in the control process, the electronic control system completed by the s7-200, pid control by the converter built-in pid control manner, in accordance with control system software and hardware design and control requirements, com

7、bining the functions of converter table preset parameters of the relevant parameters .key words：constant pressure water supply ，variable velocity variable frequency，plc，design，simulation摘 要iabstractii1 緒論51.1 引言51.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義61.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況61.3.1 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀61.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍71.4 本人的主要工作72 系統(tǒng)的理論分析及控

8、制方案確定82.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析82.1.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理82.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理82.2 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析113 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)133.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案133.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案143.3 供水設(shè)備的選擇原則143.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型173.4.1水泵的參數(shù)計(jì)算與型號(hào)的選擇173.4.2 變頻器的選擇173.4.3 壓力傳感器的選擇193.5 plc的選型193.5.1 plc選型的基本原則193.5.2 i/o點(diǎn)的分配193.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)203.7 pid參數(shù)的預(yù)置234 變頻恒壓供水控

9、制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)264.1 常用編程方法264.1.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法264.1.2 翻譯設(shè)計(jì)法264.1.3 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法274.2 編程軟件的簡單介紹294.3 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)30總 結(jié)34致 謝35參考文獻(xiàn)36附 錄37附錄a 初始化程序及pid中斷程序梯形圖371 緒論1.1 引言水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中的自來水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我國

10、供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。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ㄓ谀承┕I(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。變頻調(diào)速技術(shù)

11、以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在中小型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率，更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行.變頻 恒 水 壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(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)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 圖1.

12、1 傳統(tǒng)供水機(jī)示意圖 圖1.2 變頻供水機(jī)示意圖1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義我國長期以來在市政供水、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，工業(yè)自動(dòng)化程度低。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，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，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、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)

13、行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，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。1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況1.3.1 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀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)展起來的。目前國外的恒壓供水系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國外變頻供水系統(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。此方式的缺點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，投資成本高。目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合plc 或pid調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求低的變頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其

14、成本低廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:(1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。(2) 國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器、電機(jī)功率在135kv320kw之間，電

15、網(wǎng)電壓通常為220v或380v。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3) 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于320kw)、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)變頻供水系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。所以在部分條件復(fù)雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實(shí)踐要求，現(xiàn)部分中小

16、水廠已認(rèn)識(shí)到這一情況，并針對實(shí)際情況對變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善1234。1.4 本人的主要工作本課題主要通過研究plc來控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過設(shè)計(jì)熟悉了plc的工作原理，編程原理以及編程方法。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的控制設(shè)備選用s7-200系列的plc（cpu222），變頻器選用西門子泵類專用的變頻器mm430。在控制過程中，電控系統(tǒng)由s7-200完成，pid控制由變頻器完成。最后，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對該系統(tǒng)在供水中所取得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護(hù)管網(wǎng)等進(jìn)行了總結(jié)，指出變頻技術(shù)在供水領(lǐng)域所取得的成果及局限性。2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1

17、變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2.1.1 電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： (2.1) 式中：f表示電源頻率，p表示電動(dòng)機(jī)極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機(jī)極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增

18、加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。2.1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉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所示。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶

19、的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程h與用水流量qu間的關(guān)系h=f(qu)。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程h與流量q之間的關(guān)系曲線，如圖2.1所示。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量qc之間的關(guān)系h=f(qc)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2.1中a點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量qu和供水系統(tǒng)的供水流量qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)

20、定運(yùn)行。圖2.1 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水

21、中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動(dòng)能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率p與管網(wǎng)的水壓h及出水流量q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量q成正比；管網(wǎng)的水壓h與出水流量q的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率p與轉(zhuǎn)速n三次方成正

22、比，即： （2.2） （2.3） (2.4) (2.5)式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。圖2.2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在e點(diǎn)，流量為q1，揚(yáng)程為h0，當(dāng)供水量從q1減小到q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從h0上升到h1，運(yùn)行工況點(diǎn)從e點(diǎn)移到f點(diǎn)，此時(shí)水泵的輸出功率正比于h1q2。當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(h0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從e點(diǎn)移到d點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率正比于h0q2，由于h1h0，所以當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有正比于(h1h0)q

23、2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是h1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。2.2 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。供水系統(tǒng)中對水壓流量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動(dòng)控制，同時(shí)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。(1

24、) 閥門控制法：通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。如圖 2.3所示，設(shè)用戶所需流量qx為額定流量的60%(即qx=60%qn)。當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性則仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至e點(diǎn)，這時(shí)，流量減小為qe(=qx)；揚(yáng)程增加為he；供水功率pc與面積odej成正比。圖2.3 調(diào)節(jié)流量的方法與比較（2）恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉(zhuǎn)速控制

25、法。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求。當(dāng)水泵的餓轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。以用戶所需流量等于60%qn為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使得qx=60%qn時(shí)，揚(yáng)程特性仍為曲線，故工作點(diǎn)移向c點(diǎn)。這時(shí)流量減小為qe（=qx），揚(yáng)程減小為hc，供水功率pc與面積0dck成正比。在所需流量小于額定流量(qx用水需求qu，則壓力上升（p）；如：供水能力qg用水需求qu，則壓力上升（p）；如：供水能力qg=用水需求qu，則壓力上升（p不變）?？梢?，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持

26、供水系統(tǒng)中某處的壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達(dá)到的目的56。 3 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本次設(shè)計(jì)才用通用變頻器+pcl(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器的構(gòu)成方案。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)構(gòu)成圖這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

27、；通用性強(qiáng)，由于plc產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定plc的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時(shí)，可以方便地通過pc機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時(shí)由于plc的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)7 。3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案用水量較小，工頻泵單獨(dú)運(yùn)行，狀態(tài)1用水量增加，超過工頻，開啟變頻泵，狀態(tài)2用水高峰過后，用水量下降至低于工頻，關(guān)閉變頻泵圖3.2 控制方案將1號(hào)泵設(shè)置為工頻泵，2號(hào)泵設(shè)置為變頻泵，由變頻器控制

28、。開始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多，只有1號(hào)泵在工頻下運(yùn)行，2號(hào)泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng)用水量持續(xù)增加，只有1臺(tái)水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，在狀態(tài)1的前提下通過控制系統(tǒng)啟動(dòng)2號(hào)泵電機(jī)，2號(hào)泵在變頻器控制下根據(jù)用水量變頻運(yùn)行，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)，表示只有1臺(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，可將2號(hào)泵電機(jī)停運(yùn)，這時(shí)，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要8 。3.3 供水設(shè)備的選擇原則在做供水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先選擇水泵和電機(jī)，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而供水規(guī)模

29、和住宅類型以及用戶數(shù)有關(guān)。有關(guān)選擇依據(jù)原則使用表格如下。不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)gb/t 50331-2002，節(jié)錄如表3.1。表3.1 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)住宅給水衛(wèi)生器具完善程度用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日）小時(shí)變化系數(shù)1僅有給水龍頭0.040.082.52.02有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備0.0850.132.52.03有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備0.130.192.51.84有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng)0.170.252.01.6 2. 供水規(guī)模換算表。不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)gb/t 50331-2002，節(jié)錄如表3.2。上面一行為

30、用水標(biāo)準(zhǔn)(/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(/h)。表3.2 供水規(guī)模換算表戶數(shù)用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日）45039.4059.0078.7098.4050043.8065.6087.50109.4060052.5078.80105.00131.3070061.3091.90122.50153.1080070.00105.00140.00175.00100087.50131.30175.00218.803. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù),并對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型,見表3.3。表3.3 水泵，電機(jī)和變頻器選型表50xn4080lg50-20x211116080lg50-20x315158080lg50-20

31、x418.518.510080lg50-20x5222212080lg50-20x63030100xn40100dl218.518.560100dl3303080100dl43737100100dl54545120100dl65555 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：平方供水壓力p=0.12mpa；樓房供水壓力9p=（0.08+0.04樓層數(shù)）mpa (3.1) （5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下的原則： 蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量； 水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度； 水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。3.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型3.4.1 水泵的參數(shù)計(jì)算與型號(hào)的選擇 (1) 根據(jù)表3.1確定用水量

32、標(biāo)準(zhǔn)為0.19/人日。 (2) 根據(jù)表3.2確定每小最大用水量為175.00/h。 (3) 根據(jù)10層樓高度35m，按照式(3.1)計(jì)算得 p =（0.08+0.04樓層數(shù)）mpa=0.48mpa 可確定設(shè)置供水壓力值為0.48mpa。根據(jù)表3.3確定水泵型號(hào)為100dl3，工3臺(tái)(其中一臺(tái)做備用)，水泵自帶電動(dòng)機(jī)功率為30kw。3.4.2 變頻器的選擇 本系統(tǒng)中 ，采用mciormaster430系列變頻器，型號(hào)為hvac(風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型)ec014500/3，額定電壓為380v500v，額定功率35kw。micromaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專

33、家，功率范圍7.5kw至250kw。它按照專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(bico)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的emc(電磁兼容性)設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等10。1. mm430變頻器介紹mciormaster430變頻器的端子接口分布如圖3.3所示。圖3.3 mm430 端子接口分布圖2. 端子功能介紹各端子的功能如表3.4所示。表3.4 端子功能表引腳序號(hào)引腳名稱功能引腳序號(hào)引腳名稱功能1+10v電源電壓12aout1+模擬輸出120電源電壓13aout1-模擬輸出13ain1+模擬輸入114ptca4ai

34、n1-模擬輸入115ptcb5dinn1數(shù)字輸入16din5數(shù)字輸入6dinn2數(shù)字輸入17din6數(shù)字輸入7dinn3數(shù)字輸入26aout2+模擬輸出28dinn427aout2-9+24v電源電壓28pe10ain2+模擬輸入229p+11ain2-模擬輸入230p-18rl1-a22rl2-c19rl1-b23rl3-a20rl1-c24rl3-b21rl2-b25rl3-c3.4.3 壓力傳感器的選擇cyyb-120系列壓力變送器為兩線制420ma電流信號(hào)輸出產(chǎn)品。它采用cyyb-105系列壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號(hào)進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償及非線性修正、v/

35、i變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有420ma標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。一對導(dǎo)線同時(shí)用于電源供電及信號(hào)傳輸，輸出信號(hào)與環(huán)路導(dǎo)線電阻無關(guān)，抗干擾性強(qiáng)、便于電纜鋪設(shè)及遠(yuǎn)距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、a/d轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方便。cyyb-120系列壓力變送器新增加了全密封結(jié)構(gòu)帶現(xiàn)場數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品。可廣泛應(yīng)用于航空航天、科學(xué)試驗(yàn)、石油化工、制冷設(shè)備、污水處理、工程機(jī)械等液壓系統(tǒng)產(chǎn)品及所有壓力測控領(lǐng)域11。主要特點(diǎn)：（1）高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度范圍；（2）抗沖擊、耐震動(dòng)、體積小、防水；（3）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出、良好的互換性、抗干擾性強(qiáng)；（4）最具有競爭力的價(jià)格。3.5 plc的選型3.5.1 p

36、lc選型的基本原則這是plc應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的plc種類很多，在選用plc時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面12。（1）規(guī)模要適當(dāng)；（2）功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理；（3）輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確；（4）要考慮環(huán)境條件。根據(jù)以上原則，這次設(shè)計(jì)選擇西門子s7-200系列的cpu222ac/dc。3.5.2 i/o點(diǎn)的分配恒壓變頻供水控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)如表3.5所示。 表3.5 i/o統(tǒng)計(jì)表名 稱代 碼地址編號(hào)變頻器故障sui0.0啟動(dòng)sb1i0.1停止sb2i0.2變頻器達(dá)到下限bgli0.3變頻器達(dá)到上限bghi0.41#泵故障fr1i0.52#泵故障fr2i0.6壓

37、力變送器輸出模擬量電壓值upaiw01#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km1、hl1q0.02#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km2、hl2q0.1故障報(bào)警指示燈haq0.2變頻器輸入電壓信號(hào)ufaqw03.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示，采用一臺(tái)水泵工頻持續(xù)運(yùn)行，另一臺(tái)水泵與變頻器連接運(yùn)行。圖3.4 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖圖3.5 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 圖3.6 plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖圖3.7 變頻調(diào)速恒壓控制閉環(huán)原理圖3.7 pid參數(shù)的預(yù)置由于siemens mm430變頻器自帶了pid模塊，我們不需要進(jìn)行pid調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，只需進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)置就可以了。首先將

38、設(shè)置模擬輸入的dip開關(guān)1撥到on位置，選擇為420ma輸入，將dip開關(guān)2撥到off位置選擇電動(dòng)機(jī)的頻率，off位置為50hz。其它參數(shù)的設(shè)置如表3.7所示13。表3.7 mm430參數(shù)預(yù)置表參數(shù)名稱參數(shù)名稱p0003=2用戶訪問級別為專家級p2255=100pid的增益系數(shù)p0004=22參數(shù)濾過，選擇pid應(yīng)用宏p2256=100pid微調(diào)信號(hào)的增益系數(shù)p0700=2選擇命令源，選擇為端子控制p2257=10spid設(shè)定值的斜坡加速時(shí)間p1000=2頻率設(shè)定選擇為模擬設(shè)定值p2258=10spid設(shè)定值的斜坡減速時(shí)間p1080=5hz最小頻率r2260=100%顯示pid的總設(shè)定值p10

39、82=50hz最大頻率r2261=3spid設(shè)定值的濾波時(shí)間常數(shù)p2200=1閉環(huán)控制選擇，pid功能有效r2262=100%顯示濾波后的pid設(shè)定值p2231=1允許存儲(chǔ)p2240的設(shè)定值p2265=3spid反饋立場撥時(shí)間常數(shù)p2240=75%鍵盤給定的pid設(shè)定值p2267=100pid反饋信號(hào)的上限值p2253=2250:0選擇p2240的值作為pid給定p2268=0pid反饋信號(hào)的下限值p2250=100%顯示p2240的設(shè)定值輸出p2269=100%pid反饋信號(hào)的的增益p2254=0.0缺省值，對微調(diào)信號(hào)沒有選擇p2291=100pid輸出的上限p2292=0.00pid輸出的

40、下限p2280=3.00pid的比例增益系數(shù)p2285=7.00spid的微分時(shí)間p2294=100%實(shí)際的pid控制器輸出4 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1 常用編程方法4.1.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法在熟悉繼電器控制電路設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，如能透徹地理解plc各種指令的功能，憑著經(jīng)驗(yàn)比較準(zhǔn)確地使用plc 的各種指令，而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序。設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 確定輸入、輸出電器；（2） 確定輸入、輸出點(diǎn)數(shù)；（3） 選擇plc 并編程；（4）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來。這種編程方法沒有普遍的規(guī)律可循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有

41、很大關(guān)系，它一般只用于簡單的梯形圖設(shè)計(jì)(如手動(dòng)程序) 。4.1.2 翻譯設(shè)計(jì)法它是把繼電器接觸器控制系統(tǒng)的電器原理圖直接翻譯成plc 梯形圖。1. 翻譯設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下：(1) 將檢測元件、控制元件(如行程開關(guān)、按鈕等) 合理安排,接入plc 的輸入口；(2) 將被控對象(如電磁閥線圈、接觸器線圈等) 接入plc 的輸出口；(3) 把由繼電器接觸器完成的控制功能由plc 的軟件(即梯形圖) 來完成。2. 應(yīng)用舉例例如:電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路,原理線路如圖4.1所示。改用plc 控制后,其i/ o 接線和梯形圖分別如圖4.2 ,圖4.3所示。圖4.1 電氣原理圖圖4.2 i/o接線圖圖4.3

42、電機(jī)正反轉(zhuǎn)梯形圖4.1.3 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法在繼電器接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法比較容易獲得設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)出來的控制線路既符合工藝要求，又達(dá)到工作可靠、經(jīng)濟(jì)合理，因而得以廣泛的應(yīng)用。1. 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下（1） 根據(jù)控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關(guān)系的狀態(tài)表；（2） 根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式，并化簡；（3） 根據(jù)化簡后的邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。2.應(yīng)用舉例例如：某系統(tǒng)中4 臺(tái)通風(fēng)機(jī)，要求在以下幾種運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)發(fā)出不同的顯示信號(hào):三臺(tái)及三臺(tái)以上開機(jī)時(shí),綠燈常亮; 兩臺(tái)開機(jī)時(shí)，綠燈以5hz的頻率閃爍；一臺(tái)開機(jī)時(shí),紅燈以5hz 的頻率閃爍；全部停機(jī)時(shí)，紅燈常亮。為討論方便

43、,設(shè)4 臺(tái)通風(fēng)機(jī)分別為a、b 、c、d ,現(xiàn)以綠燈常亮的設(shè)計(jì)原理為例，其余類推。綠燈閃爍的程序設(shè)計(jì):設(shè)燈常亮為“1”,滅為“0”,風(fēng)機(jī)開為“1”,停為“0”,綠燈常亮有5 種情況，則其狀態(tài)表如表4.1 所示。表4.1 綠燈閃爍狀態(tài)表abcdf0111110111110111110111111由狀態(tài)表可得f 的邏輯函數(shù)表達(dá)式為:化簡為: 選擇西門子公司s7-200系列的plc。其i/ o 分配如表4.2 所示。表4.2 i/ o 分配表ioabcdfi0.0i0.1i0.2i0.3q0.0則其梯形圖如圖4.4 所示: 圖4.4 綠燈常亮梯形圖本設(shè)計(jì)采用的是邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法。4.2 編程軟件的簡單介

44、紹step7-micro/win32編程軟件是基于windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為s7-200系列plc設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)?，F(xiàn)在加上全中文化程序后，可在中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來更加方便。step7-micro/win32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置plc的工作方式，參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。軟件的功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。s7-200plc使用step7-micro/win32編程軟件進(jìn)行編程。單擊圖4.5所示的編程軟件圖標(biāo)可進(jìn)入如圖4.6所示的操作界面，在此界面可