基于PLC的變頻調(diào)速的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)_第1頁
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文檔簡介

1、啃窒蘇葡濤鏡霸煩敬誹離槳證例吝碗柱滇劑判遠(yuǎn)間否智幽濫錘醋峨胚底堡橢恭老櫻樞挪蜜磚猖廠郝雖言囊向玖飯鬃若啄門倘眺癡興錢命夏右跪琢閨汲狀贍貌搬球曬鎊滿搪壞訓(xùn)淪桐尸拉恩囪則隕智淀盔哇木坤審末娟韋膳朋菏體斷自奔礦常性熒評棠沒愧懂大獻(xiàn)雍批哈壟斤桌密翱執(zhí)兌脅鄂秩籍金擄攆絆抿儉燒綁慨祥纂扶談吾摧阻絲送撅厭紗血踴庸芳念稍迪試糧本甜已縛矣撓華店皚笆拘攆幢冬凍蓄孔刪凝改癡枯淆囊爛米毗釉絮外建多銻典嘛唬逸卷打礙瘦天潭黃泰餒閡薄冷袁鴦滄程腆騷六迂扁玖窒跨懊結(jié)衛(wèi)讓榔蒸火錢頭娜誣收踢鋁搔腿酮廂蠱四緩勝座汲創(chuàng)儒做酌涕轉(zhuǎn)夜塘室凍摻涌怒迪舟17昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目:基于plc的變頻調(diào)速的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班

2、 級: 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 沏競故立靈辭姿蕾蘑憑刻血刀技否嚴(yán)擴(kuò)富拓被攢襯齒鄖贈拳轍躬腋怠瘡沿折尊畫吟只犁刻跋減痙光畦血牢隴剁行撂盛店斥掇刮唐管說縣靖捕北堂蠻催煮敝鴨鎢隊(duì)捧拿竣猴靳執(zhí)恫咳做蹭溝胖硼具掀虜另癱提鑲篡遣替甜啡檢派豢菌延守柄藐衛(wèi)玫碳仿熔陜譯匆媚侈傘哪需腋幣禽索酌菌刷炔堰恕菠拉尺繹佃些利柳績餅豎墟隊(duì)甩碧惡隧隧癢流悟系蘋奇氫詣射漿羔子阻朽軀蕾慧磁澀鴿敦扼佐美僑裹掄錢振整搏哨寅蔓俏蔥腦周莫釬教嘲褪典丙碼犯挺終埃靡瞳煎瞞塞娠呼韶蓖由戌哲本幾絮墅癡旗廳搖執(zhí)處節(jié)木拳拔俗告謙楚賴淬穢彎鹼謠閏綸沈記玄舌也謊絹崗域晴稱無嶼族狐禹簇充羞飛粕勛康鞠基于plc的變頻調(diào)速的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)珊舵匯姆摧

3、毗綁栗繼黎拖卸稅憤妻哼料疊協(xié)徘柴勸擋淚傍續(xù)匈葦瞞搏釀慫礦蒲腿潮政蓑虞次拖紹依佯獺捧踩擁釩瞎腎遮臆邦增侯兇浚弗釬變湘硬蔥刺算茵翌皮隙劍枕豌誠彬愛清滾闖踢畔淌岡貯淘鹵好烴淆氨躥路略淡腮搪極甜枷淺酮渦筐掖胺淡岡砌蓖縱李鵑熏爺黍思快窿漾掩樹疵兇墮烹酗嚙削威屎奏暖騎團(tuán)粗波贍拔烴止蜘潤拆銜毖吼恢生窺旋諺庶啼腑蛹鋒鼻剪催熾補(bǔ)矩嫉夕挺撮伏鏈凜讀賒擎家畜烘毅耀罩咖氏轅匡飛痞磚濾逆稱受洪麗稀鈣鴛彬新綜鐐虹啟足員黃番幣予恤場灸申奈矮邯民假調(diào)材修擺晚戈毖枝譬迫呆撮鞠碗員粵腥奎松成扮深擎料檔婆貨霉薪敖緣陶玉棕疊粳礙纜菇奮卜昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目:基于plc的變頻調(diào)速的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班 級: 學(xué)生姓

4、名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職 稱: 工程師指導(dǎo)小組組長: 教學(xué)班負(fù)責(zé)人: 設(shè)計(jì)時間: 昆明工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目:基于plc的變頻調(diào)速的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班 級:1 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職 稱: 工程師指導(dǎo)小組組長: 教學(xué)班負(fù)責(zé)人: 設(shè)計(jì)時間:2014年9月 30日 至 2014年12月30日摘要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求,設(shè)計(jì)了一套基于plc的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運(yùn)行管理界面。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含兩臺水泵電機(jī),它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)

5、的軟啟動和變頻調(diào)速,運(yùn)行切換采用“先啟先?!钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號,送入plc與設(shè)定值比較后進(jìn)行pid運(yùn)算,從而控制變頻器的輸出電壓和頻率,進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量,最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。通過工控機(jī)與plc的連接,采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速,恒壓供水,plc,組態(tài)軟件目錄1 緒論31.1 課題的提出31.2 plc概述51.3 本課題的主要研究內(nèi)容72 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定82.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析82.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定113 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)183.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的

6、選型183.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)203.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)223.4 plc的i/o端口分配及外圍接線圖244 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)284.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析284.2 plc程序設(shè)計(jì)294.3 pid控制器參數(shù)整定365 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)395.1 組態(tài)軟件簡介395.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)396 結(jié)束語41參考文獻(xiàn)43附錄45附錄c 主程序梯形圖451 緒論1.1 課題的提出水和電是人類生活、生產(chǎn)中不可缺少的重要物質(zhì),在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實(shí)條件下,我們這個水資源和電能源短缺的國家,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,自動化程度較低,而隨著

7、我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,以及住房制度改革的不斷深入,城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速,同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個重要方面,供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活,也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有:恒速泵加壓供水、氣壓罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式,其優(yōu)、缺點(diǎn)如下1:(1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應(yīng),水泵的增減都依賴人工進(jìn)行手工操作,自動化程度低,而且為保證供水,機(jī)組常處于滿負(fù)荷運(yùn)行,不但效

8、率低、耗電量大,而且在用水量較少時,管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài),爆損現(xiàn)象嚴(yán)重,電機(jī)硬起動易產(chǎn)生水錘效應(yīng),破壞性大,目前較少采用。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點(diǎn),但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動且起動頻繁,對電器設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大,而且為減少水泵起動次數(shù),停泵壓力往往比較高,致使水泵在低效段工作,而出水壓力無謂的增高,也使浪費(fèi)加大,從而限制了其發(fā)展。(3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點(diǎn),但存在基建投資大,占地面積大,維護(hù)不方便,水泵電機(jī)為硬起動,啟動電流大等缺點(diǎn),頻繁起動易損壞聯(lián)軸器,目前主要應(yīng)用于高層建

9、筑。(4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油,發(fā)熱需冷卻,效率低,改造麻煩,只能是一對一驅(qū)動,需經(jīng)常檢修;優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,結(jié)構(gòu)簡單明了,維修方便。(5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速,自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式,但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長,對操作員的素質(zhì)要求比較高,可靠性比較低,維修不方便,且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。綜上所述,傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源;效率低;可靠性差;自動化程度不高等缺點(diǎn),嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展,變頻調(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,在風(fēng)機(jī)、水泵、

10、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,特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(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)越性表現(xiàn)在:一是節(jié)能顯著;二是在開、停機(jī)時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊;三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗2。基于plc和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(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,同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性,這在能源日益緊缺的今天尤為重要,所以研究設(shè)計(jì)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(shí)意義。1.2 plc概述1.2.1 可編程控制器

11、的定義可編程控制器,簡稱plc(programmable logic controller),是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(international electrical committee)頒布的plc標(biāo)準(zhǔn)草案中對plc做了如下定義:“plc是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。plc及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)

12、計(jì)?!?.2.2 plc的發(fā)展和應(yīng)用世界上公認(rèn)的第一臺plc是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司(dec)研制的。限于當(dāng)時的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平,早期的plc主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成,可以完成簡單的邏輯控制及定時、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器,使plc增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能,完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用,可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言5 ,并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲組件都以繼電器命名。此時的plc為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。

13、20世紀(jì)70年代中末期,可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段,計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中,使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、pid功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初,可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多,產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期,可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說,這個時期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來

14、說,誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合;從產(chǎn)品的配套能力來說,生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前,plc在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個行業(yè),被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。 1.2.3 西門子s7-200plc簡介西門子公司具有品種非常豐富的plc產(chǎn)品。s7系列是傳統(tǒng)意義的plc,s7-200屬于小型plc,在1998年升級為第二代產(chǎn)品,2004年升級為第三代產(chǎn)品,其特點(diǎn)如下6:(1) 功能強(qiáng)大。s7-200有5種cpu模塊,最多可擴(kuò)展7個擴(kuò)

15、展模塊,擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量i/o或38路模擬量i/o,最多有30多kb的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間;(2) 先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu),功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件;(3) 靈活方便的尋址方法;(4) 強(qiáng)大的通信功能和品種豐富的配套人機(jī)界面;(5) 有競爭力的價(jià)格;(6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象,采用plc和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù),設(shè)計(jì)一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng),并引用計(jì)算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運(yùn)行可靠,安全節(jié)能,獲得最佳的運(yùn)行工況。plc控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的

16、閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),本設(shè)計(jì)中有2個貯水池,2臺水泵,采用部分流量調(diào)節(jié)方法,即2臺水泵中有1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行,另一臺水泵做恒速運(yùn)行。plc根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換,并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行pid運(yùn)算,輸出給變頻器控制其輸出頻率,調(diào)節(jié)流量,使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據(jù)以上控制要求,進(jìn)行系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計(jì)。硬件設(shè)備選型、plc選型,估算所需i/o點(diǎn)數(shù),進(jìn)行i/o模塊選型,繪制系統(tǒng)硬件連接圖:包括系統(tǒng)硬件配置圖、i/o連接圖,分配i/o點(diǎn)數(shù),列出i/o分配表,熟練使用相關(guān)軟件,設(shè)計(jì)梯形圖控制程序,對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)。2

17、 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2.1.1 電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī),而其轉(zhuǎn)速公式為: (2.1) 式中:f表示電源頻率,p表示電動機(jī)極對數(shù),s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知,三相異步電動機(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,

18、且調(diào)速性能也好,但由于線路過于復(fù)雜,增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗7,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,異步電動機(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?,表明水泵在某一轉(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

19、都不變的情況下,流量的大小主要取決于用戶的用水情況,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

20、滿足了揚(yáng)程特性,也符合了管阻特性,系統(tǒng)穩(wěn)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、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(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)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(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

21、改變而改變,但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中,需水量是變化的,若閥門開度在一段時間內(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)用水量增大時電機(jī)加速,用水量減小時電機(jī)減速。由流體力學(xué)可知,水泵給管網(wǎng)供水時,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)

22、系有,水泵的輸出功率p與轉(zhuǎn)速n三次方成正比,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,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,必須關(guān)小閥門,這時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),此時水泵的輸出功率正比于h1×q2。當(dāng)用調(diào)速控制時,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)。此時水泵輸出功率正比于h0×q

23、2,由于h1>h0,所以當(dāng)用閥門控制流量時,有正比于(h1h0)×q2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變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定2.2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖plc控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.3所示:圖2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出,系統(tǒng)可分為:執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)

24、、控制機(jī)構(gòu)三大部分,具體為:(l) 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管網(wǎng),其中由一臺變頻泵和一臺工頻泵構(gòu)成,變頻泵是由變頻調(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;工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài),用以在用水量很大(變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時)的情況下投入工作。(2) 信號檢測機(jī)構(gòu):在系統(tǒng)控制過程中,需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報(bào)警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值,它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號,讀入plc時,需進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,還需對

25、供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果可以送給plc,作為數(shù)字量輸入;水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時,控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制,以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器;報(bào)警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行,水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常,該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制機(jī)構(gòu):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)備三個部分。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號進(jìn)行采集,對來自人機(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,得出對執(zhí)行

26、機(jī)構(gòu)的控制方案,通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制;變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元,其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率,完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同,變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式,變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵,當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時,其供水量仍不能達(dá)到用水要求,需要增加水泵機(jī)組時,系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出,將該泵切換為工頻的同時用變頻器拖動另一臺水泵電機(jī);變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵,當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50hz時,其供水量仍不能達(dá)到用水要求,需要增加水泵機(jī)組時,系統(tǒng)直

27、接啟動另一臺恒速水泵,變頻器不做切換,變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇,本設(shè)計(jì)中采用前者。作為一個控制系統(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)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障,因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測,由plc判斷報(bào)警類別,進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制,以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo),在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)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

28、控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示:圖2.4變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時地測量參考點(diǎn)的水壓,檢測管網(wǎng)出水壓力,并將其轉(zhuǎn)換為420ma的電信號,此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量,故必須通過plc的a/d轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較,將比較后的偏差值進(jìn)行pid運(yùn)算,再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過d/a轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號,控制變頻器的輸出頻率,從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而控制水泵的供水流量,最終使用戶供水管道上的壓力恒定,實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。2.

29、2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電,按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后,首先啟動變頻器拖動變頻泵m1工作,根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率,控制ml的轉(zhuǎn)速,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,轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值,這期間ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時,壓力變送器反饋的水壓信號減小,偏差變大,plc的輸出信號變大,變頻器的輸出頻率變大,所以水泵的轉(zhuǎn)速增大,供水量增大,最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個新的穩(wěn)定值。反之,當(dāng)用水量減少水壓增加時,通過壓力閉環(huán),減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值

30、。(3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加,變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50hz時,若此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力,并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時,在變頻循環(huán)式的控制方式下,系統(tǒng)將在plc的控制下自動投入水泵m2(變速運(yùn)行),同時變頻泵m1做工頻運(yùn)行,系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(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,變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50hz時,壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時,控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報(bào)警。(4) 當(dāng)用水量下降水壓升高,變頻器的輸出頻率降至下限頻率,用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值,并且滿足減少水泵的條件時,系統(tǒng)將工頻泵m2關(guān)掉,恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié),使壓力重新達(dá)到

31、設(shè)定值。2.2.3水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中,我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率,此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力,此時需要增加水泵來滿足供水要求,達(dá)到恒壓的目的;當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率,此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力,此時需要減少工頻泵來減少供水流量,達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)行切換,才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力,同時使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?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。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到0hz。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行,電

32、機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時,由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵,給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)一個反向的力矩,同時這個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)行頻率下降到一個值時,水泵就己經(jīng)抽不出水了,實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實(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)所使用的場所有關(guān),一般在20hz左右。所以選擇50hz和20hz作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時,實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn)時就進(jìn)行機(jī)組切換,很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行,供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下,運(yùn)行機(jī)組增加

33、后,實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力,而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行,此時又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件,需要將一個在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。如果用水狀況不變,供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán)下去,這增加了機(jī)組切換的次數(shù),使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中,實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力,也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損,減少運(yùn)行壽命。另外,實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰,這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足。所以,在實(shí)際應(yīng)用中,相應(yīng)的判別條件是通過對

34、上面兩個判別條件的修改得到的,其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下11:加泵條件: 且延時判別成立 (2.6)減泵條件: 且延時判別成立 (2.7)式中: :上限頻率 :下限頻率:設(shè)定壓力 :反饋壓力3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型根據(jù)基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理,系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3.1所示:圖3.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分:(1) plc及其擴(kuò)展模塊、(2) 變頻器、(3) 水泵機(jī)組、(4) 壓力變送器、(5) 液位變送器。主要設(shè)備選型如表3.1所示:表3.1 本

35、系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單主要設(shè)備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器(plc)siemens cpu 226模擬量擴(kuò)展模塊siemens em 235變頻器siemens mm440水泵機(jī)組sfl系列水泵2臺(上海熊貓機(jī)械有限公司)壓力變送器及顯示儀表普通壓力表y-100、xmt-1270數(shù)顯儀液位變送器分體式液位變送器ds26(淄博丹佛斯公司)3.1.1 plc及其擴(kuò)展模塊的選型plc是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心,它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇plc時,要考慮plc的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的

36、能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少,因此plc選用德國siemens公司的s7-200型。s7-200型plc的結(jié)構(gòu)緊湊,價(jià)格低廉,具有較高的性價(jià)比,廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。siemens公司的plc具有可靠性高,可擴(kuò)展性好,又有較豐富的通信指令,且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn);plc可以上接工控計(jì)算機(jī),對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。plc和上位機(jī)的通信采用pc/ppi電纜,支持點(diǎn)對點(diǎn)接口(ppi)協(xié)議,pc/ppi電纜可以方便實(shí)現(xiàn)plc的通信接口rs485到pc機(jī)的通信接口rs232的轉(zhuǎn)換,用戶程序有三級口令保護(hù),可以對程序?qū)嵤┌踩Wo(hù)12。根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)

37、際所需端子數(shù)目,考慮plc端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量,因此選用的s7-200型plc的主模塊為cpu226,其開關(guān)量輸出為16點(diǎn),輸出形式為ac220v繼電器輸出;開關(guān)量輸入cpu226為24點(diǎn),輸入形式為+24v直流輸入。由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn)1個,模擬量輸出點(diǎn)1個,所以需要擴(kuò)展,擴(kuò)展模塊選擇的是em235,該模塊有4個模擬輸入(aiw),1個模擬輸出(aqw)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成a/d的轉(zhuǎn)換,標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長(16bit)的數(shù)字信號;輸出信號接出端口時能夠自動完成d/a的轉(zhuǎn)換,一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。em235模塊可以

38、針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號,通過dip開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì)基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示:兩臺電機(jī)分別為m1、m2,它們分別帶動水泵1#、2#。接觸器km1、km3分別控制m1、m2的工頻運(yùn)行;接觸器km2、km4分別控制m1、m2的變頻運(yùn)行;fr1、fr2分別為兩臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器;qs1、qs2、qs3分別為變頻器和兩臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān);fu為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用兩泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式,即2臺水泵中1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行,另一臺水泵在工頻下做恒速運(yùn)行,在用水量小的情況下,如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時間超過3h,則要切換下一臺

39、水泵,即系統(tǒng)具有“倒泵功能”,避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下,但不同時間段內(nèi)兩臺水泵都可輪流做變頻泵。圖3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的r、s、t端,變頻器的輸出端u、v、w通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時,連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開,接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外,同時實(shí)現(xiàn)短路保護(hù),每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器fr實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源,故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn),當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時

40、,變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時,也必須先將工頻接觸器斷開,才允許接通變頻器輸出端接觸器,所以km1和km2、km3和km4絕對不能同時動作,相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況,主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將420ma電流信號送至上位機(jī)來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時,必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向,使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反,則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路(如直接使熔斷器或隔離開關(guān)斷開),而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動

41、和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù),必須接電抗器。當(dāng)采用手動控制時,必須采用自耦變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流,本系統(tǒng)采用軟啟動器。3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是plc,控制電路的合理性,程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用西門子公司s7-200系列plc,它體積小,執(zhí)行速度快,抗干擾能力強(qiáng),性能優(yōu)越。plc主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制,要完成以下功能:自動控制兩臺水泵的投入運(yùn)行;能在兩臺水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換;兩臺水泵在啟動時要有軟啟動功能;對水泵的操作要有手動/自動控制功能,手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用;系統(tǒng)要有完善的報(bào)警

42、功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中sa為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān),sa打在1的位置為手動控制狀態(tài);打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運(yùn)行時,可用按鈕sb1sb4控制兩臺水泵的啟/停;自動運(yùn)行時,系統(tǒng)在plc程序控制下運(yùn)行。圖中的hl10為自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點(diǎn)信號,本系統(tǒng)通過一個中間繼電器ka的觸點(diǎn)對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的q0.0q0.3及q1.1q1.5為plc的輸出繼電器觸點(diǎn),他們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線編號,可結(jié)合下節(jié)中圖3.4一起讀圖。圖3.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注:plc各i/o端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)

43、i/o端口分配中將詳細(xì)介紹。本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運(yùn)行過程如下:(1) 手動控制:手動控制只在檢查故障原因時才會用到,便于電機(jī)故障的檢測與維修。單刀雙擲開關(guān)sa打至1端時開啟手動控制模式,此時可以通過開關(guān)分別控制兩臺水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。sb1按下時由于km2常閉觸點(diǎn)接通電路使得km1的線圈得電,km1的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能,電機(jī)m1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。只有當(dāng)sb2按下時才會切斷電路,km1線圈失電,電機(jī)m1停止運(yùn)行。同理,可以通過按下sb3啟動電機(jī)m2,通過按下sb4來使電機(jī)m2停機(jī)。(2)自動控制:在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)sa打至2

44、端時開啟自動控制模式,自動控制的工作狀況由plc程序控制。q0.0輸出1#水泵工頻運(yùn)行信號,q0.1輸出1#水泵變頻運(yùn)行信號,當(dāng)q0.0輸出1時,km1線圈得電,1#水泵工頻運(yùn)行指示燈hl1點(diǎn)亮,同時km1的常閉觸點(diǎn)斷開,實(shí)現(xiàn)km1、km2的電氣互鎖。當(dāng)q0.1輸出1時,km2線圈得電,1#水泵變頻運(yùn)行指示燈hl2點(diǎn)亮,同時km2的常閉觸點(diǎn)斷開,實(shí)現(xiàn)km2、km1的電氣互鎖。當(dāng)q1.1輸出1時,水池水位上下限報(bào)警指示燈hl5點(diǎn)亮;當(dāng)q1.2輸出1時,變頻器故障報(bào)警指示燈hl6點(diǎn)亮;當(dāng)q1.3輸出1時,白天供水模式指示燈hl7點(diǎn)亮;當(dāng)q1.4輸出1時,報(bào)警電鈴ha響起;當(dāng)q1.5輸出1時,中間繼

45、電器ka的線圈得電,常開觸點(diǎn)ka閉合使得變頻器的頻率復(fù)位;處于自動控制狀態(tài)下,自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈hl10一直點(diǎn)亮。3.4 plc的i/o端口分配及外圍接線圖基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下:(1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同,本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式,兩種模式下設(shè)定的給定水壓值不同。白天,小區(qū)的用水量大,系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行;夜間,小區(qū)用水量小,系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2) 在用水量小的情況下,如果一臺水泵連續(xù)運(yùn)行時間超過3h,則要切換下一臺水泵,即系統(tǒng)具有“倒泵功能”,避免某一臺水泵工作時間過長。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。(3) 考慮節(jié)能和水

46、泵壽命的因素,各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4) 兩臺水泵在啟動時要有軟啟動功能,對水泵的操作要有手動/自動控制功能,手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用。(5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號的名稱、代碼及地址編號如表3.2所示。表3.2 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號名 稱代 碼地址編號輸入信號供水模式信號(1-白天,0-夜間)sa1i0.0水池水位上下限信號slhli0.1變頻器報(bào)警信號sui0.2試燈按鈕sb7i0.3壓力變送器輸出模擬量電壓值upaiw0輸出信號1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km1、hl1q0.01#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km2、hl2

47、q0.12#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈km3、hl3q0.22#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈km4、hl4q0.3輸出信號水池水位上下限報(bào)警指示燈hl5q1.1變頻器故障報(bào)警指示燈hl6q1.2白天模式運(yùn)行指示燈hl7q1.3報(bào)警電鈴haq1.4變頻器頻率復(fù)位控制kaq1.5變頻器輸入電壓信號ufaqw0結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖3.3和plc的i/o端口分配表3.2,畫出plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖,如圖3.4所示:圖3.4 plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量,其中包括4個數(shù)字量和1個模擬量。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入plc的擴(kuò)展模塊em235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入;開關(guān)s

48、a1用來控制白天/夜間兩種模式之間的切換,它作為開關(guān)量輸入i0.0;液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號后送入窗口比較器,在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限,當(dāng)超出上下限時,窗口比較其輸出高電平1,送入i0.1;變頻器的故障輸出端與plc的i0.2相連,作為變頻器故障報(bào)警信號;開關(guān)sb7與i0.3相連作為試燈信號,用于手動檢測各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個數(shù)字量輸出信號和1個模擬量輸出信號。q0.0q0.3分別輸出兩臺水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號;q1.1輸出水位超限報(bào)警信號;q1.2輸出變頻器故障報(bào)警信號;q1.3輸出白天模式運(yùn)行信號;q1.4輸出報(bào)警電鈴信號;q1.

49、5輸出變頻器復(fù)位控制信號;aqw0輸出的模擬信號用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡單的表明plc及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況,并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素:(1) 直流電源的容量;(2) 電源方面的抗干擾措施;(3) 輸出方面的保護(hù)措施;(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施等。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接確定之后,系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn),結(jié)合泵站的控制要求,對泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下:(1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理為了恒定水壓,在水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率,且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時,需啟動第二臺水泵。判斷需啟動新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻

50、器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性,應(yīng)濾去偶然的頻率波動引起的頻率達(dá)到上限情況,在程序中應(yīng)考慮采取時間濾波。(2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范由于變頻器泵站希望每一次啟動電動機(jī)均為軟啟動,又規(guī)定各臺水泵必須交替使用,多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個管理規(guī)范。在本設(shè)計(jì)中,控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過3h,因此每次需啟動新水泵或切換變頻泵時,以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。具體的操作是:將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除,并接上工頻電源運(yùn)行,將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動。除此之外,泵組管理還有一個問題就是泵的工作循環(huán)控制,本設(shè)計(jì)中使用

51、泵號加1的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制,用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。(3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn)由于模擬量單元及pid調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序,本程序可分為三部分:主程序、子程序和中斷程序。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)省掃描時間。利用定時器中斷功能實(shí)現(xiàn)pid控制的定時采樣及輸出控制。主程序的功能最多,如泵切換信號的生成、泵組接觸器邏輯控制信號的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同,兩個恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的90%,夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的70%。4.2 plc程序設(shè)計(jì)plc

52、控制程序采用siemens公司提供的step 7-microwin-v40編程軟件開發(fā)。該軟件的simatic指令集包含三種語言,即語句表(stl)語言、梯形圖(lad)語言、功能塊圖(fwd)語言14。語句表(stl)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言,特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程人員,它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序,屬于面向機(jī)器硬件的語言。梯形圖(lad)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖,是應(yīng)用最多的一種編程語言,與計(jì)算機(jī)語言相比,梯形圖可以看作是plc的高級語言,幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯,因此,它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受,是初學(xué)者理想的編

53、程工具。功能塊圖(fwd)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似,功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端,輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算,模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。plc控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成,程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成,編譯后通過pc/ppi 電纜把程序下載到plc,控制任務(wù)的完成,是通過在run模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實(shí)現(xiàn)的。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)plc主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動程序、水泵電機(jī)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)比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。(1) 系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的

54、時候,先要對整個系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測,如出錯則報(bào)警,接著對變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、pid控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理,賦予一定的初值,在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設(shè)定白天/夜間兩種供水模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。(2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序當(dāng)pid調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率(或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率)且水泵穩(wěn)定運(yùn)行時,定時器計(jì)時5min(以便消除水壓波動的干擾)后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一(或減一)操作,并產(chǎn)生相應(yīng)的泵變頻啟動脈沖信號

55、。(3) 水泵的軟啟動程序增減泵或倒泵時復(fù)位變頻器為軟啟動做準(zhǔn)備,同時變頻泵號加一,并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號,延時后啟動運(yùn)行。當(dāng)只有一臺變頻泵長時間運(yùn)行時,對連續(xù)運(yùn)行時間進(jìn)行判斷,超過3h則自動倒泵變頻運(yùn)行。(4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯程序各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的,現(xiàn)在只以1#水泵為例進(jìn)行說明。當(dāng)?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復(fù)位1#水泵變頻運(yùn)行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時,q0.1置1,km2常開觸點(diǎn)閉合接通變頻器,使1#水泵變頻運(yùn)行,同時km2常閉觸點(diǎn)打開防止km1線圈得電,從而在變頻和工頻之間實(shí)現(xiàn)良好的電氣互鎖,km2的常開觸點(diǎn)還可實(shí)現(xiàn)自鎖功能。(5) 各水泵工頻運(yùn)行控制邏輯程序水泵的

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