畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題目： 恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 2017 年 6 月 10 日I恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，大家對(duì)于用水質(zhì)量的要求越來越高，而我國(guó)又是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，所以對(duì)于供水系統(tǒng)設(shè)備的先進(jìn)性、自動(dòng)化程度和性能的要求都越來越高。恒壓變頻供水系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為了必然趨勢(shì)。本論文設(shè)計(jì)根據(jù)陜西科技大學(xué)供水系統(tǒng)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)。本系統(tǒng)由可編程邏輯控制器、2臺(tái)軟啟動(dòng)器、2臺(tái)變頻器、7臺(tái)水泵電機(jī)組成，其中1臺(tái)是夜間低壓狀態(tài)時(shí)使用，剩下的6臺(tái)水泵

2、電機(jī)組成循環(huán)運(yùn)行方式。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)當(dāng)前水壓信號(hào)，將管網(wǎng)水壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送入PLC，由PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，再由PLC控制著變頻器輸出不同頻率的電源，從而改變水泵電機(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。論文詳細(xì)介紹了各主要器件的選型，連接方式，運(yùn)行原理，以及系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。其中著重的分析了程序的主要設(shè)計(jì)方法，講述了供水系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)思路。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，變頻器，PLCIIIDesign of Variable Frequency Constant Pressure Water Supply SystemABSTRACTWith the

3、 progress of the times and the development of the society,everyone for using the water quality requirements more and more high, furthermore China is a serious shortage of water resources in the country,so the water supply system equipment advanced, degree of automation and performance's requirem

4、ents are getting higher and higher. Variable frequency constant pressure water supply system has become an inevitable trend.This paper designs a set of PLC based variable frequency speed regulation constant pressure water supply system. The system consists of a programmable logic controller, 2 soft

5、starters, 2 converters, 7 pump motors. One is the use of low voltage state at night, the rest of these are used to be cyclic operation mode. In the operation of the system by the pressure sensor measured the pipeline pressure, the pressure and expectation values are compared, after that by the PLC c

6、ontrol converter output frequency of different power, and then change the speed of the pump motor to track the desired value of the water pressure. This paper introduces how to select the main components, connection mode, operation principle, and the software design of the system. The emphasis is on

7、 the analysis of the program design method, describes the overall design ideas.Key words: variable frequency speed regulation, constant pressure water supply, converter, PLC III目 錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 選題背景11.2 選題依據(jù)21.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況21.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求32 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)42.1 系統(tǒng)的基本工作原理42.2 本課題研究的對(duì)象42.3 控制方式的選擇52.4 系

8、統(tǒng)原理與組成52.4.1 系統(tǒng)的組成及原理圖52.4.2 變頻控制原理72.4.3 系統(tǒng)水泵切換控制分析83 恒壓變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)93.1 系統(tǒng)主要設(shè)備電路的設(shè)計(jì)93.1.1 PLC的設(shè)計(jì)93.1.2 變頻器的設(shè)計(jì)123.1.3 軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)163.2 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)204 恒壓變頻供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)224.1 主程序循環(huán)流程圖224.1.1 系統(tǒng)上電步驟224.1.2 變頻器選擇224.1.3 軟啟動(dòng)器選擇234.1.4 故障檢測(cè)244.1.5 夜間工作模式254.1.6 啟動(dòng)子程序264.2 系統(tǒng)整體的軟件設(shè)計(jì)274.3 程序說明314.3.1 系統(tǒng)初始化31I4.3.2 軟啟

9、動(dòng)判斷及軟啟動(dòng)器啟動(dòng)334.3.3 工頻泵計(jì)時(shí)364.3.4 工頻泵電機(jī)投入和切除選擇364.3.5 變頻泵計(jì)時(shí)384.3.6 變頻泵選擇394.3.7 夜間泵控制404.3.8 變頻泵超時(shí)414.3.9 工頻泵故障424.3.10 電接點(diǎn)信號(hào)424.3.11 變頻器的控制445 總結(jié)46致 謝47參考文獻(xiàn)48恒壓變頻供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 531 緒論1.1 選題背景用水供水一直以來都是人們生產(chǎn)，生活中不可或缺的部分，對(duì)于當(dāng)下社會(huì)能源的節(jié)約與利用率都是我們必須要考慮的問題，我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，長(zhǎng)久以來在高層建筑供水、市政供水、工業(yè)生產(chǎn)中的循環(huán)供水等這些方面的技術(shù)與世界先進(jìn)水平相比，差距不小

10、，自動(dòng)化程度低，隨著我們國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的逐漸提高，以及住房制度改革的深入人心，對(duì)于住房的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。現(xiàn)如今的城市居民住宅區(qū)供水系統(tǒng)就有用水高峰期和用水低峰期的區(qū)別，在高峰期時(shí)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷很大，甚至經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，使得電動(dòng)機(jī)損耗非常大；而在低峰期時(shí)居民用水量降低，但是電動(dòng)機(jī)不會(huì)減速任然在滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，導(dǎo)致能量很多都浪費(fèi)了，而且一直滿負(fù)荷運(yùn)行會(huì)使用水設(shè)備損壞水管也容易爆破，所以應(yīng)該在不同的用水狀況下對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使得達(dá)到恒壓供水的目的。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日趨完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)

11、平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于水泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長(zhǎng)水泵和閥門等設(shè)備的使用壽命，也可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)1。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡(jiǎn)單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的?；赑LC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(shí)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(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，且運(yùn)用恒壓變頻供水系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：(

12、a) 節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能運(yùn)行；(b) 節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用水況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；(c) 運(yùn)行可靠：由專用變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由變頻到工頻的最小沖擊切換防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂；(d) 控制靈活：分段供水，定時(shí)供水，手動(dòng)選擇工作方式；(e) 自我保護(hù)功能完善：假如水泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)顯示故障并同時(shí)啟動(dòng)備用泵，以維持供水平衡；(f) 萬一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動(dòng)系統(tǒng)，以保護(hù)供水；(g) 夜間泵識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)最大限度節(jié)能。1.2 選題依據(jù)以往的水泵控制采用傳統(tǒng)的電力拖動(dòng)方式，水泵在工頻下恒速運(yùn)

13、轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)閥門的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制，這樣造成能源的浪費(fèi)和產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”，對(duì)設(shè)備不利。采用交流變頻恒壓供水方式組成系統(tǒng)可解決以上問題。本課題來源與實(shí)際工程項(xiàng)目，使用S7-200 PLC和ACS 510專用風(fēng)機(jī)泵類變頻器構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)，比較分析使用不同的控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合實(shí)際、工藝狀態(tài)來選擇最優(yōu)化的解決方法。通過此題目，使學(xué)生掌握作為一個(gè)現(xiàn)代電氣工程師所應(yīng)該掌握的基本技能，能獨(dú)立分析問題并確立出合理的設(shè)計(jì)方案，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的思考問題及解決問題的能力，為今后走向工作崗位奠定一定的基礎(chǔ)。水是生命之源，用水供水一直是人民的生活生產(chǎn)的基本條件，而供水設(shè)備泵站的功耗巨大，如果我們能提高

14、泵站的效率，降低泵站的功耗，不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)有重大的意義，而且也符合現(xiàn)在的綠色環(huán)保理念。而對(duì)于目前我國(guó)的情況來說，泵站的數(shù)量很大，但是由于設(shè)計(jì)中沒有考慮到節(jié)能的問題，而且由于國(guó)內(nèi)技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)的水平還是有一定的差距，所以我國(guó)電能很大一部分是消耗在這個(gè)上的而電能大部分又是由火力發(fā)電產(chǎn)生的?；鹆Πl(fā)電就會(huì)有一定的污染，如果不提高效率，節(jié)能減排會(huì)導(dǎo)致更多的污染破壞地球的大氣層。因此設(shè)計(jì)節(jié)能減排的供水系統(tǒng)刻不容緩，恒壓變頻供水系統(tǒng)可以結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、DCS技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，綜合多種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)可以提高節(jié)能效率、系統(tǒng)穩(wěn)定性，更加便于操作和管理。由于我國(guó)在這方面的研究比外國(guó)遲所以目前還達(dá)不到特別理

15、想的目標(biāo)，還需要我國(guó)技術(shù)人員慢慢努力研究，使技術(shù)漸漸提高，逐步改變目前我國(guó)泵站的控制系統(tǒng)，使其效率提高。變頻調(diào)速是當(dāng)今社會(huì)最先進(jìn)的調(diào)速方式，它比調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速，變極調(diào)速性能都更好，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速，調(diào)速性能高、經(jīng)濟(jì)效益好、應(yīng)用范圍寬、是目前最有發(fā)展的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。本套系統(tǒng)應(yīng)用了變頻調(diào)速，結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、操作方便。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況近年來，恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制技術(shù)日趨成熟，這是因?yàn)樽冾l調(diào)速的技術(shù)在世界上有了很大的發(fā)展。在變頻技術(shù)研究的初期，變頻器的應(yīng)用也有一定的限制，因?yàn)榧夹g(shù)不是很全面所以在恒壓變頻供水系統(tǒng)中只能當(dāng)做執(zhí)行器，如果要配合完成系統(tǒng)的各

16、種功能，必須外加壓力控制器和壓力傳感器才可以。1960年以后，電力電子器件普遍采用了晶閘管產(chǎn)品，但是因?yàn)檎{(diào)速性能不是很高，丹佛斯公司生產(chǎn)了第一臺(tái)變頻器，隨后就有很多企業(yè)也紛紛效仿，開啟了變頻器的新時(shí)代。在國(guó)外的一些供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，一般都是比采取一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一個(gè)水泵機(jī)組去運(yùn)行，導(dǎo)致成本過高很多企業(yè)不看好這種技術(shù)。隨著變頻技術(shù)的漸漸成熟，無論是在系統(tǒng)穩(wěn)定性還是在自動(dòng)化程度方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，逐漸人們認(rèn)可了這種技術(shù)，所以就有廠商開始生產(chǎn)一些有這方面功能的變頻器，比如ABB集團(tuán)的HAVC變頻技術(shù)、施耐德公司的恒壓供水基板?，F(xiàn)對(duì)此供水基板做下基本的介紹，其中具有兩種模式，“變頻泵固定方式”和“變頻

17、泵循環(huán)方式”它們的區(qū)別就是當(dāng)需要增加水泵時(shí)是加入一臺(tái)工頻泵，然后調(diào)節(jié)變頻泵的頻率使其達(dá)到要求；還是將前一臺(tái)變頻泵切換為工頻工作，再軟啟動(dòng)一臺(tái)泵來變頻使用2。在基板上集成了像PID調(diào)節(jié)器和可編程控制器（PLC）等這樣的硬件，通過指令代碼實(shí)現(xiàn)PID、PLC等電控系統(tǒng)的控制，后續(xù)只要搭載配套的恒壓供水單元就可以直接控制內(nèi)置的電磁接觸器去工作，其最多可以控制七臺(tái)電機(jī)（泵）達(dá)成供水系統(tǒng)。這一類設(shè)備雖然簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)用減少，但是其可擴(kuò)展性不高，接口固定，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性都一般，和別的監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件不容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與通信，而且其帶負(fù)載的容量有限制，因此在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有很多的限制條件，不容

18、易用于各種場(chǎng)合。目前我國(guó)也有很多的公司在做恒壓變頻供水的工程，它們一般都會(huì)采用外國(guó)先進(jìn)的變頻器對(duì)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，對(duì)水管的管網(wǎng)壓力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)和循環(huán)控制多臺(tái)水泵平穩(wěn)運(yùn)行，它們采用可編程控制器（PLC）、單片機(jī)和它們相應(yīng)的配套軟件予以實(shí)現(xiàn)，但是在很多方面都達(dá)不到用戶要求的指標(biāo)，比如系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、抗干擾性能、穩(wěn)定性能和開放性擴(kuò)展性都有一定的局限。深圳艾默生電氣公司和成都的希望集團(tuán)都推出過恒壓供水專用的變頻器，該變頻器不需要外接PID調(diào)節(jié)器和PLC就可以完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)利用，雖然不如丹麥丹佛斯公司的變頻器可以實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的循環(huán)切換，但是其有定時(shí)啟動(dòng)和停止、定時(shí)循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部

19、集成了壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與邏輯控制功能。其缺點(diǎn)是帶負(fù)載容量低，而且操作復(fù)雜沒有數(shù)據(jù)傳輸通信功能，因此只能用于容量和控制要求比較低的場(chǎng)所供水。就目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于此項(xiàng)技術(shù)的研究來說，還有很大的發(fā)展空間。變頻調(diào)速技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、DCS技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)兼具先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)會(huì)使變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制更具使用價(jià)值。因此，恒壓變頻供水系統(tǒng)的各方面技術(shù)還有待進(jìn)一步改善，在改善的過程中應(yīng)該注意與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，使其更適應(yīng)現(xiàn)在的實(shí)際需求。變頻調(diào)速系統(tǒng)中還應(yīng)該加入軟啟動(dòng)器，軟起動(dòng)是使電動(dòng)機(jī)的電壓逐漸從零逐漸的增加到額定電壓的過程，該過程使得對(duì)啟動(dòng)電流有了一定的控制，防止沖擊電流對(duì)電網(wǎng)造成損害，減輕了電機(jī)啟動(dòng)

20、的機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)于電機(jī)的損傷，可以延長(zhǎng)電機(jī)壽命。軟啟動(dòng)器還有軟停車功能：電機(jī)的輸出電壓由額定電壓在設(shè)定的軟停時(shí)間內(nèi)逐步降至零，停車過程完成，能夠有效的避免停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的“水錘”現(xiàn)象。1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求本課題的設(shè)計(jì)應(yīng)先滿足工程技術(shù)要求及相應(yīng)的控制精度，其次需要考慮其系統(tǒng)性、綜合性以及可擴(kuò)展性。有鑒于此，本課題的主要任務(wù)包含以下幾個(gè)：(a) 設(shè)計(jì)恒壓供水控制系統(tǒng)總體方案，滿足工程技術(shù)要求； (b) 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)原理圖、接線圖、布局圖等圖紙，使工程人員能夠從原理上理解設(shè)計(jì)思想，在施工上便于操作； (c) 參與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序，滿足控制要求，并盡可能使控制程序完善可靠，具有一定的可擴(kuò)展性； (d) 撰寫

21、相關(guān)的系統(tǒng)說明書，便于工程人員閱讀操作。2 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)的基本工作原理變頻器隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，有了很多方面的進(jìn)步，無論是調(diào)速性能還是穩(wěn)定性，節(jié)能性都有了極大地提高。而變頻器是恒壓變頻供水系統(tǒng)的核心器件，所以系統(tǒng)性能的好壞主要看變頻器的性能。ABB 的變頻器是現(xiàn)在國(guó)際上一個(gè)知名的品牌，其作用是控制和調(diào)節(jié)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的速度，并以其性能好、功能組合多樣、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)一直被人們看好。恒壓變頻供水系統(tǒng)與過去的供水方式相比最大的區(qū)別就是可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級(jí)調(diào)速，可以根據(jù)運(yùn)行的反饋數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。恒壓變頻供水占地面積小、投入資金低、環(huán)保

22、節(jié)能強(qiáng)、系統(tǒng)維護(hù)便捷、自動(dòng)化程度高、維修周期長(zhǎng)等，這些優(yōu)點(diǎn)都是原來的供水方式無法媲美的。目前已廣泛的應(yīng)用于各種住宅小區(qū)和各種建筑供水中，其今后的發(fā)展趨勢(shì)是更加的智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，以到達(dá)未來城市建設(shè)智能化，網(wǎng)絡(luò)化和整體規(guī)劃的要求。在此系統(tǒng)中除了變頻器之外最重要的東西就是 CPU,它相當(dāng)于人的大腦，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制基本都得靠它完成。在這里可利用的 CPU有很多種，在下節(jié)中我會(huì)介紹他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及本設(shè)計(jì)中用到的 CPU。恒壓控制是控制管網(wǎng)的水壓保持恒定，使得不論用水量多高都保證水流量足夠大，滿足用水要求。要想維持一個(gè)物理量不變，就得使這個(gè)物理量與恒值進(jìn)行比較，求差后反饋給系統(tǒng)，形成閉環(huán)系

23、統(tǒng)。所以如果要控制水壓恒定，就要使管網(wǎng)水壓反饋值與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值的正負(fù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是具有非線性、大慣性的特點(diǎn)，所以應(yīng)該運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和 PID控制算法使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快、穩(wěn)差小、超調(diào)量小。水泵機(jī)組的工頻變頻切換由變頻器編程，PFC和 PID宏來控制；管網(wǎng)水壓由壓力變送器反饋給控制器；水泵電機(jī)的啟動(dòng)需要軟啟動(dòng)器配合保證電機(jī)的壽命足夠長(zhǎng)。由于供水管道都比較長(zhǎng)，所以其是一個(gè)大時(shí)滯的系統(tǒng)，對(duì)于時(shí)滯系統(tǒng)有許多處理方式：可以加史密斯預(yù)估器（PID控制器并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)）和運(yùn)用大林算法等。2.2 本課題研究的對(duì)象通常在同一路供水系統(tǒng)中，設(shè)置多臺(tái)常用泵，供水量大時(shí)多臺(tái)

24、泵全開，供水量小時(shí)開一臺(tái)或兩臺(tái)。在采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水時(shí)，所有水泵配用一臺(tái)變頻器，變頻器根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的。這種方案可以有兩種實(shí)現(xiàn)方法：其一是采用PLC程序控制加變頻器相位檢測(cè)切換控制方式，其二可以采用專用變頻器直接完成相位檢測(cè)切換和夜間泵變頻工作的方式。這樣可以是系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且可靠性增加。本方案就是采用ABB公司專為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載專用型 ACS510系列變頻器，通過可編程控制器加繼電回路控制的方法實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)控制，同時(shí)達(dá)到泵的循環(huán)工作和夜間節(jié)能自動(dòng)控制。2.3 控制方式的選擇變頻恒壓供水系統(tǒng)一般是由變頻器、控制單

25、元、壓力變送器、水泵機(jī)組和低壓電器組成，但是對(duì)于不同的設(shè)計(jì)要求有幾種控制方式可以選擇，該系統(tǒng)的任務(wù)是利用控制單元使變頻器控制多臺(tái)水泵機(jī)組的循環(huán)啟停，以完成管網(wǎng)壓力的恒定，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性3。目前有幾種控制方式可以選擇：(1) 邏輯電子電路控制方式該控制方式可以利用簡(jiǎn)單的電子元器件組成，投入資金較少，但是其穩(wěn)定性、變頻性能、控制精度都不高；水泵機(jī)組沒有軟啟動(dòng)裝置，工頻泵變頻泵切換時(shí)容易產(chǎn)生較大的壓力波動(dòng)，一般采用一臺(tái)變頻泵其他都為工頻泵，頻繁的投切容易損壞系統(tǒng)各部分，維修調(diào)試都比較難。(2) 單片機(jī)控制方式這類控制方式比起邏輯電子電路控制方式的性能要好許多，但是由于單片機(jī)編程調(diào)試比

26、較難，對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)條件需要的功能不同就需要調(diào)整整個(gè)電路，所以應(yīng)用不靈活抗干擾能力也不高所以這類方式應(yīng)用也不廣泛4。(3) 帶PID回路調(diào)節(jié)器或PLC的控制方式該控制方式一般由變頻器、可編程控制器、PID回路調(diào)節(jié)器、壓力變送器等組成。由于變頻器功能比較少所以這里只提供一個(gè)可變頻率的電源給電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，來控制管網(wǎng)的水壓。壓力變送器用來采集管網(wǎng)水壓與設(shè)定值進(jìn)行比較然后傳送給可編程控制器經(jīng)過其內(nèi)部的計(jì)算，輸出轉(zhuǎn)速控制信號(hào)給變頻器。這種方式是直接由可編程控制器內(nèi)部PID控制程序來計(jì)算的，這樣就需要帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器，造價(jià)較高，如果采用模擬量輸入，數(shù)字量輸出的可編程控制器

27、，則要DC/AC轉(zhuǎn)換的裝置使得可編程控制器的數(shù)字量裝換為模擬量。所以這種方式有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。(4) 供水專用變頻調(diào)速設(shè)備由于傳統(tǒng)的變頻器對(duì)于供水方面的功能不完整，許多廠商公司生產(chǎn)了一系列的專供水泵電機(jī)，供水方面使用的變頻器，比如施耐德公司的的Altivar 58泵切換卡；ABB公司ACS 400、ACS 510、ACS 600等產(chǎn)品；華為公司的TD 2100。這些產(chǎn)品都有一個(gè)共通點(diǎn)就是將PID調(diào)節(jié)器和可編程控制器的功能綜合了一下，放入變頻器內(nèi)。這樣就省去了PID調(diào)節(jié)器，節(jié)約了可編程控制器的容量，從而降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。而且變頻器內(nèi)部的對(duì)PID調(diào)節(jié)器有優(yōu)化算法，使得水壓的控制平穩(wěn)、可靠

28、，而且在設(shè)置時(shí)可以規(guī)定濾波時(shí)間常數(shù)，保證反饋信號(hào)的準(zhǔn)確性5。通過對(duì)這幾種方案的分析，本系統(tǒng)決定采用第四種控制方式，這種控制方案不僅投資價(jià)格合理而且控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性高、數(shù)據(jù)傳輸方便、控制精度高等特點(diǎn)，符合本次任務(wù)的需求。2.4 系統(tǒng)原理與組成2.4.1 系統(tǒng)的組成及原理圖 恒壓變頻供水系統(tǒng)主要由：變頻器、可編程控制器、軟啟動(dòng)器、水泵機(jī)組、壓力變送器組成6。組成圖可參看圖2-1：圖2-1 系統(tǒng)組成圖(1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由水泵機(jī)組構(gòu)成，水泵可以將水供入用戶管網(wǎng)，利用水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制管網(wǎng)的水壓。本系統(tǒng)有6臺(tái)55 kw的水泵和一臺(tái)22 kw的水泵，根據(jù)管網(wǎng)的需求用量循環(huán)投入和切出水泵機(jī)組。使

29、用循環(huán)啟動(dòng)方式，如果第一次超過工頻則將第一臺(tái)經(jīng)過延時(shí)接入電網(wǎng)再用變頻器控制第2臺(tái)水泵調(diào)節(jié)水壓，依次順序啟動(dòng)6臺(tái)水泵；如果夜間用水量低可以用22 kw的水泵減少能耗。(2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：對(duì)于恒壓變頻供水系統(tǒng)，被檢測(cè)的信號(hào)有管網(wǎng)水壓信號(hào)、供水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。對(duì)于管網(wǎng)水壓信號(hào)，它是本控制系統(tǒng)中的反饋信號(hào)，如果沒有了它就不能形成完整的閉環(huán)控制，由壓力變送器檢測(cè)并送入PLC中，再由PLC發(fā)出控制信號(hào)給變頻器，變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以控制管網(wǎng)水壓達(dá)到期望值。供水池水位信號(hào)是用來判斷水泵是否可以抽到水的，如果水位過低就無法正常抽到水，這時(shí)可能導(dǎo)致水泵和電機(jī)的損壞，所以必須在水池中安裝液位

30、傳感器，使系統(tǒng)保證安全正常的運(yùn)行；報(bào)警信號(hào)則是為了反映目前系統(tǒng)各部分工作是否正常，如：水泵空抽、電機(jī)過載、變頻器工作不正常、軟啟動(dòng)器不工作等。這些都是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，如果發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)檢修。(3) 控制機(jī)構(gòu)：控制機(jī)構(gòu)一般都集中在控制柜中，主要包括PLC、變頻器、軟啟動(dòng)器和其他電控設(shè)備?？刂茩C(jī)構(gòu)是恒壓變頻供水系統(tǒng)的心臟，各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)都要依靠這個(gè)機(jī)構(gòu)。PLC對(duì)系統(tǒng)各部分傳輸來的信息進(jìn)行采集，然后分析從人機(jī)接口得來的數(shù)據(jù)信息，通過控制算法的運(yùn)算，得到控制方案。傳送指令給變頻器，并帶動(dòng)接觸器運(yùn)作對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行控制；變頻器是直接控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的裝置，接收到PLC的控制信息，調(diào)節(jié)電源輸出頻率改變電

31、機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)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(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50 Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，經(jīng)過延時(shí)將第一臺(tái)水泵電機(jī)直接軟啟動(dòng)接入電網(wǎng)即可，變頻器控制另一臺(tái)水泵電機(jī)，依次啟動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)完成循環(huán)；變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺(tái)水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺(tái)水泵運(yùn)行在50 Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵電機(jī)時(shí)，直接軟啟動(dòng)另一臺(tái)水泵電機(jī)接入電網(wǎng)，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本次設(shè)計(jì)選擇的是變頻循環(huán)式。軟啟動(dòng)器作為該控制系統(tǒng)的一個(gè)不可或缺

32、的部分是因?yàn)槠鋵?duì)于電機(jī)的啟、停都有平滑穩(wěn)定的作用，防止電機(jī)因?yàn)闆_擊而損壞，也可以防止“水錘效應(yīng)”。而且軟啟動(dòng)器還有許多保護(hù)功能，如過載保護(hù)、缺相保護(hù)、過熱保護(hù)等。該系統(tǒng)還應(yīng)該有專門的報(bào)警信號(hào)，信號(hào)傳送給PLC后其作出判斷和保護(hù)動(dòng)作，以免造成損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2-2 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓變頻供水系統(tǒng)通過壓力變送器測(cè)量管網(wǎng)水壓，得到420 mA的電信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC中，與設(shè)定值比較得到的差值通過PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過，D/A轉(zhuǎn)換得到模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵供水流量，最終使供水管網(wǎng)上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變頻

33、供水系統(tǒng)。2.4.2 變頻控制原理當(dāng)該供水系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，閉合空氣開關(guān)，然后將手、自動(dòng)開關(guān)打到自動(dòng)控制上，此時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，啟動(dòng)PLC和變頻器，根據(jù)管網(wǎng)的壓力需求設(shè)定水壓期望值然后與水壓實(shí)際值求差，得到偏差信號(hào)，由變頻器的PID宏功能調(diào)節(jié)輸出頻率，然后根據(jù)設(shè)定好的啟動(dòng)時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速使水壓保持在水壓期望值的附近，實(shí)現(xiàn)恒壓控制的目的。當(dāng)變頻器運(yùn)行到達(dá)工頻時(shí)，PLC會(huì)根據(jù)管網(wǎng)壓力需求判斷是否需要啟動(dòng)其他水泵電機(jī)，如需啟動(dòng)則經(jīng)過延時(shí)將這臺(tái)水泵切換為工頻工作，變頻器帶著下一臺(tái)水泵電機(jī)工作7。通過變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水循環(huán)切換工作描述：(1) 假設(shè)現(xiàn)在變頻器控制的是1號(hào)泵的電機(jī)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)

34、整泵的流通能力，而壓力檢測(cè)反映了當(dāng)前管路流量變化的情況，變頻器根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速保持水壓恒定。當(dāng)壓力值低于設(shè)定值且工作頻率也已達(dá)到工頻時(shí)，表明水量加大，需要增加泵來滿足壓力需求，這時(shí)變頻器自動(dòng)將1號(hào)泵切換至工頻工作而變頻器由啟動(dòng)2號(hào)泵，依次類推直至6號(hào)泵。由于水壓是變化的所以通過這種壓力檢測(cè)切換同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了5臺(tái)水泵的循環(huán)工作，這種工作循環(huán)是隨機(jī)的。(2) 變頻器 PFC 調(diào)節(jié)器使用了兩個(gè)信號(hào):給定值和實(shí)際的反饋值。PFC自動(dòng)調(diào)整著1號(hào)泵運(yùn)行速度(頻率)，使實(shí)際信號(hào)能跟隨給定信號(hào)。需求量(由給定信號(hào)決定)超過了1號(hào)電機(jī)的能力(用戶可以定義成頻率限制)，PFC調(diào)節(jié)器自動(dòng)起動(dòng)輔泵。PFC調(diào)節(jié)器

35、同時(shí)也降低1號(hào)泵的速度，這樣兩臺(tái)泵輸出的總量成為系統(tǒng)的總輸出。然后PFC調(diào)節(jié)器和前述一樣自動(dòng)調(diào)整著1號(hào)泵運(yùn)行速度(頻率)，使實(shí)際信號(hào)能跟隨給定信號(hào)。如果需求量依然持續(xù)增長(zhǎng)，PFC按照相同的步驟再起動(dòng)下一臺(tái)輔泵。當(dāng)需求量減少了，這樣 1 號(hào)泵的速度降到了設(shè)定的下限以下 (用戶可以定義成頻率限制)，PFC調(diào)節(jié)器自動(dòng)停止輔泵。PFC調(diào)節(jié)器同時(shí)增加1號(hào)泵的轉(zhuǎn)速，以彌補(bǔ)因輔泵停止后的輸出減少。(3) 互鎖功能能夠辨識(shí)出未激活（不使用）的電機(jī)，從而PFC調(diào)節(jié)器跳過這臺(tái)電機(jī)，調(diào)用下一臺(tái)可使用的電機(jī)。 (4) 自動(dòng)切換功能（如果使用了并且相對(duì)應(yīng)地使用了開關(guān)和接觸器）能夠使各臺(tái)泵均攤負(fù)載時(shí)間。自動(dòng)切換功能能周期

36、性地調(diào)整各臺(tái)電機(jī)調(diào)用的位置-例如調(diào)速電機(jī)成為最后被調(diào)用的輔助電機(jī)，而第一臺(tái)輔助電機(jī)成為調(diào)速電機(jī)。(5) 變頻器的循環(huán)軟啟功能使得可以作為一臺(tái)軟啟動(dòng)器加變頻器聯(lián)合工作。2.4.3 系統(tǒng)水泵切換控制分析循環(huán)軟啟功能的工作分析：(1) 當(dāng)電機(jī)1頻率到達(dá)電網(wǎng)工頻時(shí)，電機(jī)脫離傳動(dòng)單元，經(jīng)過一段時(shí)間延遲后，通過軟啟動(dòng)器接入電網(wǎng)運(yùn)行；(2) 電機(jī)2連接到傳動(dòng)單元。2號(hào)電機(jī)速度根據(jù)PID的給定值和實(shí)際值的運(yùn)算結(jié)果逐步增加，直到滿足泵的實(shí)際工況；(3) 電機(jī)36使用同樣的步驟進(jìn)行啟動(dòng)；(4) 停止電機(jī)的過程如同標(biāo)準(zhǔn)PFC控制（停止輔助電機(jī)，并繼續(xù)調(diào)節(jié)正在控制的電機(jī)速度）。夜間泵的工作分析：實(shí)際上是采用當(dāng)壓力高于

37、一定值和一定其他條件下，自動(dòng)識(shí)別和切換夜間泵工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻節(jié)能。3 恒壓變頻供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)主要設(shè)備電路的設(shè)計(jì)3.1.1 PLC的設(shè)計(jì)可編程控制器（PLC)作為恒壓變頻供水系統(tǒng)的主要控制器件，其作用非常重要。它作為系統(tǒng)的大腦，要完成信號(hào)的采集、各種輸出單元的控制和恒壓的實(shí)現(xiàn)。所以在選擇的時(shí)候要考慮多方面的因素，本系統(tǒng)采用的是西門子公司的S7-200 PLC，因?yàn)镾7-200型PLC的性價(jià)比較高，而且恒壓變頻供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)備較少，控制相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，所以用S7-200型PLC最為合適。西門子公司的PLC系統(tǒng)可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)、通信方便、編程簡(jiǎn)單，再加上可以連接工控機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)

38、時(shí)監(jiān)測(cè)和控制8。下圖為PLC的接口電路：圖3-1 PLC接口電路S7-200型PLC的主模塊為CPU 226，其開關(guān)量輸出為16點(diǎn)，輸出形式為AC 220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU 226為24點(diǎn)，輸入形式為+24V直流輸入。由于本系統(tǒng)需要控制7臺(tái)水泵電機(jī)、2臺(tái)變頻器、2臺(tái)軟啟動(dòng)器，所以需要擴(kuò)展模塊，本次選擇的擴(kuò)展模塊有一個(gè)16輸入/輸出的EM 223擴(kuò)展模塊、1個(gè)16輸入的EM 221擴(kuò)展模塊和一個(gè)8輸入/輸出的EM 223擴(kuò)展模塊，這幾個(gè)擴(kuò)展模塊的開關(guān)量輸入形式都為+24V直流，輸出量形式為交流220V繼電器輸出。擴(kuò)展模塊的接口電路如下：圖3-2 擴(kuò)展模塊接口電路(1)圖3-3 擴(kuò)展模

39、塊接口電路(2)3.1.2 變頻器的設(shè)計(jì)變頻器是恒壓變頻供水系統(tǒng)的核心器件，主要是用來輸出不同頻率的電源，通過改變頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)出水量，完成穩(wěn)定水壓的目的。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)屬于泵類負(fù)載，所以選擇專為風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載專用型ACS 510系列變頻器，該變頻器是一款杰出的低壓交流傳動(dòng)系統(tǒng)，最多可以控制7個(gè)泵，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器并具有循環(huán)軟起功能，利用PID宏和PFC宏可以實(shí)現(xiàn)泵的工頻切換9。PFC宏是風(fēng)機(jī)泵類控制的專業(yè)宏，其接線圖如下：圖3-4 PFC宏接線圖使用PFC宏功能時(shí)可以參看下表中的參數(shù)設(shè)置：表3-1 PFC宏參數(shù)設(shè)置表功能碼名稱設(shè)定值單位注釋9902應(yīng)用宏7PCF控制宏9905電

40、機(jī)額定電壓380V9906電機(jī)額定電流30.3A9907電機(jī)額定功率15KW1002外部2命令6DI6控制啟停1101控制盤給定選擇2百分比給定1102外部1/外部2選擇7選擇外部控制21106給定值2選擇19給定值來源于PID1的輸出續(xù)表3-1功能碼名稱設(shè)定值單位注釋1601運(yùn)行允許6DI6作為運(yùn)行允許信號(hào)4006單位22公斤（bar）4007單位換算1一個(gè)小數(shù)點(diǎn)40080值0顯示最小值為04009100160顯示最大值為164010給定值選擇1模擬量AI1做給定4011內(nèi)部給定60給定值為604014反饋值選擇1實(shí)際值A(chǔ)CT1作為反饋信號(hào)4016ACT1輸入1取模擬信號(hào)AI1為ACT140

41、27PID1參數(shù)組選擇0使用PID參數(shù)組13201監(jiān)控1參數(shù)103HZ監(jiān)控器1監(jiān)控高頻率48Hz3202監(jiān)控器1低限253203監(jiān)控器1高限488109啟動(dòng)頻率148Hz第一臺(tái)輔機(jī)的啟動(dòng)頻率8112停止頻率125Hz第一臺(tái)輔機(jī)的停止頻率8115輔機(jī)啟動(dòng)延時(shí)0.1s8116輔機(jī)停止延時(shí)0.1s8117輔機(jī)數(shù)量1個(gè)工頻泵個(gè)數(shù)8123PFC使能1PFC激活8127電機(jī)數(shù)量2個(gè)使用PFC宏控制5臺(tái)輔泵的切換，繼電器輸出1接故障信號(hào)輸出，繼電器2和繼電器3分別控制輔泵1和輔泵2?？刂七^程如下：在軟啟動(dòng)器將一臺(tái)輔泵啟動(dòng)起來后，經(jīng)過短暫延時(shí)，PLC采集繼電器輸出2和繼電器輸出3的狀態(tài)，如果RO2=1且RO3

42、=1（繼電器動(dòng)作，1#輔泵和2#輔泵已啟動(dòng)），則繼續(xù)啟動(dòng)3#輔泵，這時(shí)候如果反饋壓力大于給定值，變頻器輸出頻率將會(huì)下降，如果穩(wěn)定在停止頻率以上，此時(shí)RO2和RO3狀態(tài)不變，在3#輔泵啟動(dòng)起來后，經(jīng)過延時(shí)，PLC再次檢測(cè)到RO2=1、RO3=1，于是又開啟4#輔泵。如果變頻器輸出頻率降至停止頻率以下，RO3=0，2#輔泵切出，變頻器輸出頻率上升，若升至啟動(dòng)頻率，則啟動(dòng)2#輔泵，同時(shí)由于PLC檢測(cè)到RO2=1、RO3=1，又會(huì)啟動(dòng)5#輔泵；如果變頻器輸出頻率停留在停止頻率和啟動(dòng)頻率之間，在4#輔泵啟動(dòng)起來后，PLC檢測(cè)到RO2=1、RO3=0，不再啟動(dòng)另一臺(tái)輔泵。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)是RO2=1、RO

43、3=0時(shí)候出現(xiàn)的，此時(shí)繼電器輸出2動(dòng)作，而繼電器輸出3復(fù)位。盡管PFC控宏控制可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，但是需要增加擴(kuò)展模塊，這樣要增加開支，我們想能不能用PID宏代替PFC宏，同時(shí)在繼電器動(dòng)作時(shí)利用恒速功能實(shí)現(xiàn)頻率升和頻率降，嘗試了一種和PFC控制并列的方案，并且實(shí)現(xiàn)起來較為容易，接線要稍作改動(dòng)。PID宏的接線如下：圖3-5 PID宏控制接線圖使用PID宏進(jìn)行參數(shù)設(shè)置是在PFC宏的基礎(chǔ)上增加了12組參數(shù)和外部1/外部2切換，具體可以參看下表：表3-2 PID宏參數(shù)設(shè)置表功能碼名稱設(shè)定值單位注釋3201監(jiān)控1參數(shù)103監(jiān)控輸出頻率3202監(jiān)控器1低限48Hz監(jiān)控器1監(jiān)控高頻率48Hz3203監(jiān)控器1高

44、限483204監(jiān)控器2參數(shù)103監(jiān)控輸出頻率3205監(jiān)控器2低限25Hz監(jiān)控器2監(jiān)控低頻率25Hz3206監(jiān)控器2高限251102外部1/外部2選擇-1DI1得電=外部1；DI1失電=外部29902應(yīng)用宏6PID宏1201恒速選擇9DI3、DI4定義3個(gè)恒速1202恒速126Hz恒速1（對(duì)應(yīng)48Hz時(shí)繼電器輸出2）1203恒速245Hz恒速2（對(duì)應(yīng)25Hz時(shí)繼電器輸出3）1402繼電器輸出28輸出頻率超過48Hz接通1403繼電器輸出311輸出頻率小于25Hz接通1407繼電器2斷延時(shí)20s26Hz對(duì)應(yīng)的恒速時(shí)間1409繼電器3斷延時(shí)20s45Hz對(duì)應(yīng)的恒速時(shí)間大致過程是樣的：由于恒速功能不能

45、使用PID控制或PFC控制，而外部2用到了PID控制，所以必須在恒速時(shí)切換到外部1。使用恒速實(shí)現(xiàn)頻率升和頻率降，恒速持續(xù)幾秒鐘后，再切回到外部2，進(jìn)行PID控制。恒速的啟動(dòng)和斷開靠DI1在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻接通繼電器2或繼電器3，從開始恒速到恒速保持結(jié)束的時(shí)間和繼電器斷延時(shí)的時(shí)間相同，繼電器2和繼電器3輸出的時(shí)序圖如下所示（繼電器輸出延遲時(shí)間設(shè)置為20s）：圖3-6 繼電器輸出時(shí)序圖3.1.3 軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)器作為輔助電機(jī)啟動(dòng)和停止的器件，具有重要的作用。如果不使用軟啟動(dòng)器，在電機(jī)切換至工頻運(yùn)行時(shí)需要直接接入電網(wǎng)，這時(shí)容易造成巨大的沖擊，致使電機(jī)容易損壞；當(dāng)電機(jī)切出時(shí)如果直接切斷電源，容易產(chǎn)生“

46、水錘效應(yīng)”10。所以一個(gè)好的軟啟動(dòng)器可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。本系統(tǒng)選擇的軟啟動(dòng)器是CTS 200，用于恒壓供水系統(tǒng)中，由于恒壓供水項(xiàng)目中采用二（一臺(tái)備用）拖多的模式，所以對(duì)該型號(hào)軟啟動(dòng)器進(jìn)行了改造，拆除了該軟啟動(dòng)器上的旁路端子B1，B2，B3，實(shí)際使用時(shí)，啟動(dòng)完成電機(jī)直接接到工頻上即可，這樣可減少軟啟動(dòng)器的損耗。各個(gè)端子的功能可以參看下表：表3-4 軟啟動(dòng)器端子功能符號(hào)端子名稱說明主回路L1.L2.L3交流電源輸入端子連接三相交流電源T1.T2.T3軟啟動(dòng)器輸出端子連接三相異步電動(dòng)機(jī)B1.B2.B3旁路接觸器專用端子用于連接旁路接觸器控制回路輸入端子RUN外控起動(dòng)端子RUN與

47、COM短接則啟動(dòng)STOP外控停止端子STOP與COM短接則停止JOG外控點(diǎn)動(dòng)端子JOG與COM短接則點(diǎn)動(dòng)+12V內(nèi)部電源端子內(nèi)部輸出電源，DC12V/12mA輸出端子OC起動(dòng)完成輸出端子起動(dòng)完成后晶體管導(dǎo)通COM公共端子內(nèi)部電位參考點(diǎn)K11故障輸出端子故障時(shí)，K12.K14閉合K12.K11斷開觸點(diǎn)容量：AC250V/5AK12K12.K14常開接點(diǎn)K12.K11常閉接點(diǎn)K14K21起動(dòng)完成端子K22.K24常開接點(diǎn)K22.K21常閉接點(diǎn)完成后，K22.K24閉合K21.K22斷開觸點(diǎn)容量：AC250V/5AK22K24當(dāng)需要利用軟啟動(dòng)器時(shí)閉合KA50，這時(shí)軟啟器帶動(dòng)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，當(dāng)啟動(dòng)完成后

48、斷開KA50就完成了一次軟啟。下圖為軟啟動(dòng)器的接線圖：圖3-7 軟啟動(dòng)器接線圖3.2 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)恒壓變頻供水系統(tǒng)是由PLC作為控制器進(jìn)行全局的控制，控制電路的設(shè)計(jì)影響到系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)利用S7-200型PLC及其擴(kuò)展模塊對(duì)7臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行控制，使其可以完成6臺(tái)水泵電機(jī)的投切以及循環(huán)啟停，第7臺(tái)水泵電機(jī)在夜間模式時(shí)開啟。在啟動(dòng)和停止過程中應(yīng)該有軟啟動(dòng)功能，設(shè)計(jì)時(shí)必須包含手動(dòng)、自動(dòng)切換功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以利用手動(dòng)功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行檢查，另外系統(tǒng)必須包含報(bào)警功能。系統(tǒng)的控制電路如下：圖3-8 系統(tǒng)控制電路（1）圖3-9 系統(tǒng)控制電路（2）如圖3-8和3-9所示，其最左邊的指示燈點(diǎn)亮表示系

49、統(tǒng)上電，接下來的16個(gè)常開觸點(diǎn)分別連接16個(gè)指示燈，當(dāng)對(duì)應(yīng)的線圈得電后觸電閉合指示燈得電、點(diǎn)亮，這些指示燈的功能是指示目前各電機(jī)的工作狀態(tài)以及變頻器工作是否正常，后邊還有缺水信號(hào)如果缺水則立即斷開常閉觸點(diǎn)KA3使系統(tǒng)不再工作，最后一個(gè)是聲音報(bào)警的常開觸點(diǎn)，如果出現(xiàn)異常則閉合使揚(yáng)聲器得電，發(fā)出報(bào)警音。圖中SA為手自動(dòng)切換開關(guān)，如果電源與下邊接通表示為手動(dòng)控制狀態(tài)，由按鈕1SB17SB1和1SB27SB2分別控制7臺(tái)水泵電機(jī)的啟動(dòng)和停止。如果電源與上邊接通表示為自動(dòng)控制狀態(tài)，自動(dòng)控制時(shí)由PLC控制各水泵電機(jī)的運(yùn)行，圖中包含1KM17KM1的常開觸點(diǎn)，其作用是進(jìn)行自鎖。每個(gè)支路上都有各自xKM2和x

50、KM3(x為1-7)的常閉觸點(diǎn)，表示各種啟動(dòng)狀態(tài)不能同時(shí)發(fā)生，有互鎖的作用。（xKM1表示水泵電機(jī)的工頻啟動(dòng)、xKM2表示水泵電機(jī)的變頻啟動(dòng)、xKM3表示水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)。）1KM和KM1、2KM和KM2分別為2個(gè)變頻器的控制線圈，控制由哪個(gè)變頻器工作，電路中也有互鎖功能。同理3KM和KM3、4KM和KM4分別為2個(gè)軟啟動(dòng)器的控制線圈，控制軟啟動(dòng)器的工作。4 恒壓變頻供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序循環(huán)流程圖 圖4-1 主程序循環(huán)4.1.1 系統(tǒng)上電步驟系統(tǒng)上電分為以下幾個(gè)部分：供電系統(tǒng)上電；變頻器上電1QF、2QF手動(dòng)閉合；軟啟動(dòng)器上電3QF、4QF手動(dòng)閉合；控制回路上電QF8上電；水泵上電

51、QF1QF7。4.1.2 變頻器選擇上電后，如果電源檢測(cè)無故障，則進(jìn)行變頻器選擇。變頻器選擇是通過柜體上的旋鈕來控制的。通過中間繼電器KA22來進(jìn)行兩個(gè)變頻器的選擇，上電后，系統(tǒng)默認(rèn)為1#變頻器投入，若需要更換變頻器，則調(diào)整旋鈕位置。流程圖如圖4-2所示：圖4-2 變頻器選擇流程圖4.1.3 軟啟動(dòng)器選擇變頻器選擇后進(jìn)行軟啟動(dòng)器的選擇。軟啟動(dòng)器選擇也是通過柜體上的旋鈕來控制的。通過中間繼電器KA23來進(jìn)行兩個(gè)變頻器的選擇，上電后，系統(tǒng)默認(rèn)為1#軟啟動(dòng)器投入，若需要更換軟啟動(dòng)器，則調(diào)整旋鈕位置。流程圖如圖4-3所示：圖4-3 軟啟動(dòng)器選擇流程圖4.1.4 故障檢測(cè)系統(tǒng)上電后，PLC對(duì)接入的變頻器

52、、軟啟動(dòng)器、電機(jī)進(jìn)行故障信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)入啟動(dòng)準(zhǔn)備階段。其具體程序流程圖如圖4-4所示：圖4-4 故障檢測(cè)子程序流程圖程序說明：系統(tǒng)上電完成后，先進(jìn)行電源檢測(cè)：ZJ8；然后檢測(cè)當(dāng)前變頻器、軟啟動(dòng)器、白天/夜間時(shí)控開關(guān)狀態(tài)。變頻器具體狀態(tài)如下表所示：表4-1 變頻器狀態(tài)1#變頻器正常白天模式1#軟啟動(dòng)器正常使用1#變頻器，1#軟啟動(dòng)器組合控制1#軟啟動(dòng)器故障，2#軟啟動(dòng)器正常使用1#變頻器，2#軟啟動(dòng)器組合控制1#軟啟動(dòng)器故障，2#軟啟動(dòng)器故障使用1#變頻器控制，工頻起動(dòng)不經(jīng)過軟啟動(dòng)器夜間模式停止所有正在工作的55kw水泵，使用1#變頻器起動(dòng)22kw水泵 續(xù)表4-11#變頻器故障，2#變頻器正常

53、白天模式1#軟啟動(dòng)器正常使用2#變頻器，1#軟啟動(dòng)器組合控制1#軟啟動(dòng)器故障，2#軟啟動(dòng)器正常使用2#變頻器，2#軟啟動(dòng)器組合控制1#軟啟動(dòng)器故障，2#軟啟動(dòng)器故障使用2#變頻器控制，工頻起動(dòng)不經(jīng)過軟啟動(dòng)器夜間模式停止所有正在工作的55kw水泵，使用2#變頻器起動(dòng)22kw水泵1、2#變頻器故障手動(dòng)操作4.1.5 夜間工作模式進(jìn)行夜間工作模式判斷，若為夜間工作模式，則中間繼電器KA4線圈帶電，同時(shí)進(jìn)入PLC的DI端子Ix.x。夜間工作模式程序如圖4-5所示。圖4-5 夜間工作模式控制程序說明：（1）在程序中停止正在工頻工作的55kw的電機(jī)的方法是將與其工頻起動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交流接觸器對(duì)應(yīng)的中間繼電器線圈復(fù)位。（2）停止軟啟動(dòng)器的方法是PLC直接停止軟啟動(dòng)，即KA30復(fù)位。（3）在程序中停止正在變頻工作的55kw的電機(jī)的方法是將與其變頻起動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交流接觸器對(duì)應(yīng)的中間繼