基于PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計論文說明

1、. . . . 摘 要根據(jù)城市居民用水標(biāo)準(zhǔn)為前提和小型自來水廠的供水要求，自行設(shè)計了基于PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。恒壓供水系統(tǒng)是指用戶端在任何時候，不管用水量的大小，總能保證管網(wǎng)中的水壓恒的基本定。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)利用PLC、變頻器、壓力變送器和水泵機(jī)組組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用了PLC進(jìn)行邏輯控制，變頻器對水泵機(jī)組的調(diào)速。 本系統(tǒng)是用3臺水泵電機(jī)的變頻循環(huán)運(yùn)行方式，變頻器和PLC作為系統(tǒng)控制的核心部件，時刻跟蹤壓力變送器檢測到的管網(wǎng)壓力和給定壓力的偏差變化，經(jīng)PLC部進(jìn)行PID運(yùn)算，通過PLC控制變頻和工頻的切換，自動控制水泵的投入臺數(shù)和控制變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供

2、水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。本系統(tǒng)是采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先停”的原則，避免了水泵的長時間運(yùn)行而造成電機(jī)的損壞和減少壽命，還增加了液位變送器的實(shí)時監(jiān)控水泵進(jìn)水源防止水泵的空抽而損壞水泵電機(jī)和報警系統(tǒng)是反應(yīng)系統(tǒng)是否運(yùn)行正常，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否異常。關(guān)鍵詞：PLC、變頻調(diào)速、恒壓供水系統(tǒng)、壓力變送器、液位變送器ABSTRACTThis paper is based on residential water standards for water supply requirements of the premise and water

3、works, to design a PLC-based frequency control water supply system. Water Supply System means the size of the client at any time, regardless of water use, always ensure that the water pressure constant in the pipe network in the set. Frequency control water supply system uses PLC, inverter, pressure

4、 transmitter, and the pump unit to form a closed loop control system using PLC logic control, the inverter speed control of pump units. This system is the conversion cycle operation mode of the water pump motor, inverter and PLC as the core component of the system control keeps track of pressure tra

5、nsmitter detected the pipe network pressure and a given pressure change in error, the PID by the PLC internal operation by the PLC to control the switching of the variable frequency and power frequency, automatic control of pump input the number of units and control of inverter output frequency, and

6、 thus change the speed of the pump motor to change the supply quantity, and ultimately to maintain the stability of the pipe network pressure near the set value. This system uses the converter to achieve soft-start and frequency control three-phase water pump motor run switch using the principle of

7、"first initial first stop" to avoid the long-running of the pump and cause damage and reduce the life of the motor, but also increase a real-time monitoring of the level transmitter pump into the empty pumping of water to prevent pump damage to the pump motor and alarm system is the respon

8、se system is functioning properly, whether the pump motor overload, the inverter is abnormal.Keywords:PLC, Frequency Control, Water Supply System, pressure transmitter, level transmitter49 / 56目 錄1 緒論11.1 選題的背景和意義11.2 變頻恒壓供水的特點(diǎn)與應(yīng)用21.2.1 變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)21.2.2 變頻恒壓供水的特點(diǎn)31.2.3 變頻調(diào)速恒壓供水的應(yīng)用31.3 變頻恒壓供水系

9、統(tǒng)的發(fā)展方向31.3.1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r31.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究成果41.3.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢51.4本課題的主要研究容52 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析62.1系統(tǒng)概述和節(jié)能原理62.1.1 系統(tǒng)概述62.1.2 節(jié)能原理62.2電動機(jī)的調(diào)速原理72.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案82.3.1 控制方案的選擇82.3.2 系統(tǒng)的組成與原理圖92.3.3 系統(tǒng)控制流程112.3.4 水泵切換條件分析123 系統(tǒng)的硬件設(shè)計143.1 供水設(shè)備的選擇原則143.2 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型153.2.1 PLC與其擴(kuò)展模塊的選型163.2.2 變頻器的選型203.2.3

10、壓力變送器的選型243.2.4 液位變送器的選型253.3 系統(tǒng)主電路、控制電路分析與其設(shè)計263.3.1 系統(tǒng)主電路分析與其設(shè)計263.3.2 系統(tǒng)控制電路分析與其設(shè)計283.4 PLC的I/O分配與外圍接線圖304 系統(tǒng)的軟件設(shè)計334.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析334.2 PLC程序設(shè)計344.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計354.2.2 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計384.3 PID控制器參數(shù)整定414.3.1 PID控制與其控制算法414.3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的近似數(shù)學(xué)模型434.3.3 PID參數(shù)整定435 結(jié)束語和展望455.1 結(jié)束語455.2 展望45參考文獻(xiàn)47致48附錄A 主程序梯形圖49

11、附錄B 英文文獻(xiàn)55附錄C 中文翻譯611 緒論1.1 選題的背景自從改革開放以來，我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民生活水平快速提高。但是我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)普遍沒有跟上生活水平的快速進(jìn)步，如城市供水系統(tǒng)等。在過去的二十幾年的中，我國城市居民人均生活用水量提升了一倍多，但是由于城市供水設(shè)備還是相較落后，造成人民用水緊，特別是在用水高峰期時，供水一般是不足的。但是由于每天用水時間段不一樣，有時少，有時多，所以一味地片面提高供水水位會造成能源的浪費(fèi)，而且還可能引發(fā)事故隱患。因此供水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性會直接影響到居民生活水平。傳統(tǒng)供水系統(tǒng)的供水設(shè)備分為恒速泵加壓式、氣壓罐式、水塔高位水箱式等多少種方式，

12、但是其普遍具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動化程度低、工作效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、維護(hù)檢修成本高的缺點(diǎn)。1.2 變頻恒壓供水技術(shù)簡介變頻恒壓供水技術(shù)是指將變頻調(diào)速技術(shù)和可編程程序控制器（PLC）相結(jié)合以PLC作為整個裝置的控制中心，使變頻器與PID相結(jié)合，變頻恒壓供水系統(tǒng)能夠依照供水系統(tǒng)的壓力值迅速調(diào)整供水系統(tǒng)的供輸情況，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的，這項(xiàng)技術(shù)比傳統(tǒng)的技術(shù)有：運(yùn)行安全、操作簡單、節(jié)約能源、自動化程度高、使用壽命長等特點(diǎn)。1.3 變頻恒壓供水的意義所以現(xiàn)代化的的供水方式趨向于高效化、節(jié)能化、自動化的方向發(fā)展，而變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)明與推廣，使之成為了可能。變頻調(diào)速技術(shù)具有能夠自動化地根據(jù)需要來調(diào)節(jié)供水壓力，

13、它更加節(jié)約了資源更節(jié)省了運(yùn)行成本。同時它可以調(diào)節(jié)供水管道的供水壓力，從而減少水壓對管道的沖擊。它還具有能減小水泵、電機(jī)部的機(jī)械沖擊力和摩擦力的損耗的特點(diǎn)1.4 變頻恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)1.4.1變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)1. 變頻恒壓供水可以長效保持恒定的供水水壓強(qiáng)，并且能夠依照壓力變化而自動化的完成備用泵的壓力調(diào)節(jié)，這使供水效果優(yōu)化，比傳統(tǒng)的供水方式，更有效的減少因?yàn)楣舱穸斐晒艿榔屏训默F(xiàn)象。2. 減少了水泵高頻率的啟動和停止，增長了水泵、電機(jī)的使用壽命。同時，變頻恒壓供水啟動方式平緩，可以避免電機(jī)水泵和電機(jī)的供電沖擊力，避免了傳統(tǒng)供水方式中水錘現(xiàn)象的發(fā)生。3. 變頻恒壓式供水系統(tǒng)沒

14、有水箱的設(shè)計，可以減少不必要的資金、資源的浪費(fèi)，還可以節(jié)省較大的空間結(jié)構(gòu)，減少安裝所帶來的不便，而且采用變頻恒壓式供水系統(tǒng)不會長期儲存水，減少水與過程環(huán)境的接觸時間與空間，從而達(dá)到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點(diǎn)。4. 變頻恒壓供水還可以根據(jù)客戶自身的需求，自動化、智能化的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、水泵的壓力，減少了工作人員的工作量，提高了工作效率，節(jié)省了資源環(huán)境。5. 變頻恒壓供水系統(tǒng)擁有全套安全的保護(hù)設(shè)施，更具有欠壓、過流、過載、過熱、缺相、短路等保護(hù)電路。1.4.2 變頻恒壓供水的特點(diǎn)（1）節(jié)約資源，比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)節(jié)約百分之五十至七十的電量，正式國家所倡導(dǎo)的綠色科技。（2）占用空間小，不會造成空間上的浪費(fèi)

15、。同時減少了一些不必要的器件，節(jié)省了制作、運(yùn)營成本。（3）器件配置多種多樣，用戶可以根據(jù)自身的需求來設(shè)定自身的設(shè)備特點(diǎn)。而且它的自動化程度較高，減少了人對其的工作量，使整個系統(tǒng)設(shè)計更加具備人性化。（4）運(yùn)行合理，因?yàn)椴捎密浧鹋c軟停這種運(yùn)行方式，不僅能夠減少水錘效應(yīng)，而且能夠減少平均的扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修成本，還可以增加水泵的壽命。 （5）因?yàn)樽冾l恒壓調(diào)速能夠從水源供水，不會長期儲存水，減少水與過程環(huán)境的接觸時間與空間，從而達(dá)到衛(wèi)生、安全、潔凈的特點(diǎn)。（6）可以通過遠(yuǎn)程報警和通信控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制。大大減少了人力成本。1.4.3 變頻恒壓供水的應(yīng)用基于PLC技術(shù)與變頻調(diào)速

16、技術(shù)設(shè)計的智能恒壓供水控制系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的供水技術(shù)更為先進(jìn)，更有運(yùn)行安全、操作簡單、節(jié)約能源、自動化程度高、使用壽命長等特點(diǎn)，所以在實(shí)際的使用中也越來越廣泛，如在以下方面：（1）在家庭用水系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠保證在生活用水高峰期有穩(wěn)定的用水壓力、流量，也能夠在用水低峰期時，自動調(diào)節(jié)水壓強(qiáng)度。（2）也廣泛的應(yīng)用于自來水廠、小區(qū)、公園等公共用水機(jī)構(gòu)，為人民群眾的公共用水提供了有力保障。（3）在工廠、企業(yè)中的應(yīng)用，眾所周知，對于一些企業(yè)、工廠，水是生產(chǎn)工作的基礎(chǔ)，如果沒有穩(wěn)定的供水系統(tǒng)，有可能使整個企業(yè)、工廠陷于癱瘓。而恒壓供水系統(tǒng)能夠?yàn)槠涮峁┓€(wěn)定、安全、節(jié)能的供水系統(tǒng)。 （4）在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，水是萬物

17、之源，農(nóng)作物的生長離不開水的供給。所以說穩(wěn)定的供水系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重中之重。2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析2.1系統(tǒng)概述和節(jié)能原理2.1.1 系統(tǒng)概述供水系統(tǒng)是居民日常用水相當(dāng)重要的系統(tǒng)。過去的供水模式占地相對較大，水質(zhì)十分容易被污染，基建成本高，而最為不足之處是無法維持水壓恒定，導(dǎo)致許多設(shè)備不能處于正常工作狀態(tài)。變頻調(diào)速技術(shù)是基于交流電機(jī)無極調(diào)速技術(shù)的一類先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，它利用自身完美獨(dú)特的控制魅力征服了整個速度控制領(lǐng)域，尤其在供水行業(yè)。因?yàn)橛辛税踩a(chǎn)和供水質(zhì)量的特定需求，恒壓供水系統(tǒng)的壓力需要被嚴(yán)格控制，促使變頻調(diào)速技術(shù)進(jìn)入到更加深層次的研發(fā)。恒壓供水方式具備較多優(yōu)點(diǎn)，如水壓恒定、實(shí)際操作

18、方便、工作穩(wěn)定、節(jié)約電能、自動控制程度高，在泵站供水工程中可完成下述諸多功能： （1）維持水壓恒定；（2）控制系統(tǒng)可以手動/自動運(yùn)行；（3）多臺泵可自動切換運(yùn)行；（4）系統(tǒng)睡眠與喚醒，當(dāng)外界停止用水時，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，直到有用水需求時自動喚醒；（5）在線調(diào)整PID參數(shù)；（6）泵組與線路保護(hù)檢測報警，信號顯示等；2.1.2 節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚(yáng)程特性的前提是讓供水系統(tǒng)管路中的閥門維持一定開度，表征水泵在特定轉(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。如果閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都保持恒定的情況下，流量的控制主要決定于居民的用水需求，因此，揚(yáng)程特性具體表征的是用水流量Qu與揚(yáng)程H間的關(guān)系H=f

19、(Qu)。而管阻特性則是水泵轉(zhuǎn)速保持恒定的前提下，表征閥門在某一開度下流量Q與揚(yáng)程H之間的關(guān)系曲線，如圖2-1所示。管阻特性體現(xiàn)了水泵能量克服供水系統(tǒng)的水位與壓力差、流量在管網(wǎng)中流動阻力的變化關(guān)系。變化閥門的開度，事實(shí)上是改變了特定揚(yáng)程條件下，供水系統(tǒng)對居民的供水能力。因此，管阻特性表征的是揚(yáng)程H與供水流量Qc之間的關(guān)系曲線H=f(Qc)。圖中揚(yáng)程曲線和管阻特性曲線的交匯點(diǎn)，叫做供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2-1中A點(diǎn)。在A點(diǎn)時，居民的用水流量Qu大致與供水系統(tǒng)中的供水流量Qc一樣，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性與管阻特性，系統(tǒng)正常運(yùn)行，并保持穩(wěn)定。圖2-1 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征水泵、電動機(jī)、管道和閥門

20、是構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要設(shè)備。通常是異步電動機(jī)帶動水泵來供水，并且把電機(jī)和水泵整合在一起，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速由變頻器控制，通過調(diào)節(jié)出水流量來的大小完成恒壓供水。因此，供水系統(tǒng)變頻從另一個性質(zhì)看也就是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是利用控制定子供電頻率的變化來控制同步轉(zhuǎn)速從而完成目標(biāo)的。整個供水過程中，一般把流量作為控制對象，普遍的控制方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法原理是通過控制閥門開度來控制流量大小，系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。根本實(shí)質(zhì)是通過控制管網(wǎng)中的阻力大小來改變流量，因此，管阻隨著閥門開度的改變而改變，而揚(yáng)程特性保持不變。因?yàn)樵趯?shí)際用水中，需水量不是一成不變的，假使閥門開

21、度在某個階段維持恒定，則一定會存在超壓或欠壓現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速控制法是通過控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小從而改變流量，而閥門開度大小保持不變，是通過使水的動能發(fā)生改變來控制流量。因此，揚(yáng)程特性與水泵轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，而管阻特性維持穩(wěn)定。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其本質(zhì)上是依據(jù)居民用水量的變化自動地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終維持穩(wěn)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。2.2電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)大多采用三相異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速公式為： (1.1)該式中：f代表電源頻率，p代表電動機(jī)極對數(shù)，s代表轉(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

22、轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)電機(jī)極對數(shù)的調(diào)控方式控制相對簡單，成本低，節(jié)能效果十分顯著，效率也相對較高，不足是必須有專門的變極電機(jī)，包含有級調(diào)速，且級差變化較大，即變速時轉(zhuǎn)速改變相當(dāng)大，同樣轉(zhuǎn)矩變化也大，所以僅僅能滿足特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)設(shè)備。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了獲得較大的調(diào)速圍而一般選取串級調(diào)速的辦法，該方法最大好處就是能夠循環(huán)利用轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果更為突出，且調(diào)速性能優(yōu)越，但因?yàn)榫€路結(jié)構(gòu)太過繁瑣，增加了線路環(huán)節(jié)的電能損耗，成本高的缺點(diǎn)嚴(yán)重了影響它的推廣價值。以下重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法與特點(diǎn)。依據(jù)公式可得，若轉(zhuǎn)差率改變不大時，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n大體上與電源頻率f成線性關(guān)系（一般為正比關(guān)系）。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，

23、就能夠平滑地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，簡單的控制電源頻率變化，會導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。伴隨著電力電子技術(shù)的逐步成熟，已開發(fā)了各種性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定的變頻調(diào)速電源裝置，它們推進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用。2.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案2.3.1控制方案的選擇恒壓變頻供水系統(tǒng)一般由單元變頻器、恒壓控制、壓力變送器、水泵機(jī)組以與低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務(wù)是利用恒壓控制模塊使變頻器控制一臺水泵或控制多臺水泵，維持管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定，同時還應(yīng)具備對運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)施傳輸和監(jiān)控。依據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目的要求，有以下幾種方案可供參考：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機(jī)組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對比較簡單，將PID調(diào)

24、節(jié)器與PLC等硬件集成在變頻器供水基板上，采取設(shè)置指令代碼完成PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。該控制系統(tǒng)雖然簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值兩方面的顯示過程中又太過繁瑣，不能自動滿足各個時段的不同恒壓需求，進(jìn)行調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)環(huán)節(jié)比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)幅度相對較小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能很難得到保證。其輸出接口也存在擴(kuò)展功能靈活度低，數(shù)據(jù)傳輸困難，并且影響了帶負(fù)載的容量，因此僅僅能夠滿足于要求較低的小容量場合。(2) 通用變頻器+單片機(jī)(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器該控制方式控制精度相對較高、控制算法靈活多變、參數(shù)調(diào)整十分容易，具備優(yōu)越的性價比，但研

25、發(fā)周期比較長，程序一旦固化，不易改動，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性變得非常之差，并且當(dāng)變頻器在工作時，容易產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生干擾越大，所以必須采取一定的抗干擾措施來確保系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)僅適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水系統(tǒng)中。(3)通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機(jī)界面+壓力傳感器該控制方式靈活簡單。具備不錯的通信接口，能夠方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通用性相對較高；目前由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可按照實(shí)際需要組成規(guī)模和需求不同的控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計過程中，僅需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線即可，若控制要求發(fā)生一定變化，能夠輕松地利用P

26、C機(jī)來控制存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試十分簡單。并且基于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高特點(diǎn)，因此系統(tǒng)的可靠性大大改善。該系統(tǒng)能滿足各類不同要求的恒壓供水情形，并且與供水機(jī)組的容量圍沒有任何關(guān)系。通過以上這幾種方案的對比和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本設(shè)計。這種控制方式既有擴(kuò)展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，又能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制精度的要求。2.3.2 系統(tǒng)的組成與原理圖PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)一般由變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組等幾個部分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2-2所示：圖2-2 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

27、：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、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)由一組水泵組構(gòu)成，該組水泵的作用是將水引入居民用水管網(wǎng)，該水泵組主要由一臺變頻泵和兩臺工頻泵組成，變頻泵是通過變頻調(diào)速器控制、能夠進(jìn)行變頻調(diào)整功能的水泵，用來依據(jù)具體的用水情況調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定；工頻泵僅工作于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量相對較大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都不能達(dá)到供水需求時）的情況下投入使用。(2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)中，必須采集許多關(guān)鍵信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網(wǎng)水壓信號代表的是供水管網(wǎng)的水壓值，該信號是恒壓供水控制的核心反饋信號。管網(wǎng)水壓信號是

28、模擬信號，讀入PLC時，須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換過程。此外為改善系統(tǒng)的可靠性，還需對供水管網(wǎng)的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表實(shí)施檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，當(dāng)作數(shù)字量輸入；水池水位信號表征水泵的進(jìn)水水源是否充裕。信號正常時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)控制，以避免水泵出現(xiàn)空抽現(xiàn)象而導(dǎo)致電機(jī)和水泵損壞。水池水位信號來源于安裝在水池中的液位變送器；報警信號表征系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)，水泵電機(jī)是否出現(xiàn)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)絕大數(shù)情況下都安置在供水控制柜里，它主要包含供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器與電控設(shè)備三個模塊。供水控制器是整個變頻恒壓供水控制

29、系統(tǒng)的絕對重點(diǎn)。供水控制器直接通過對系統(tǒng)中的壓力、報警等信號進(jìn)行檢測收集，對來自人機(jī)與通訊接口的綜合信息采取分析、實(shí)施控制算法，獲得對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方式，利用變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的控制；變頻器是對水泵采取轉(zhuǎn)速控制的基礎(chǔ)設(shè)備，它通過跟蹤供水控制器送來的控制信號調(diào)整調(diào)速泵的工作頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制過程。通過水泵機(jī)組中水泵被變頻器控制的類型各異，變頻器的兩種運(yùn)行方式是變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器控制某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵工作在上限頻率時，其供水量仍不能達(dá)到用水需求，必須增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵機(jī)組中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動

30、另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器控制其中一臺水泵作為調(diào)速泵，若這臺水泵工作在上限頻率時，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，必須增加水泵機(jī)組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不進(jìn)行切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)開始運(yùn)行之前可以進(jìn)行選擇，該設(shè)計系統(tǒng)中采用前者。作為一個完整的控制系統(tǒng)，報警模塊是不可或缺的重要組成部分。由于該系統(tǒng)可適應(yīng)于各種供水領(lǐng)域，所以為了確保系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行性能，避免因電機(jī)過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進(jìn)行監(jiān)測分析，由PLC判斷報警類別，進(jìn)行顯示和不同的保護(hù)動作控制，從而避免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以系統(tǒng)出口

31、管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上達(dá)到出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水水壓可以是常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，即每個時段是一個常數(shù)。所以，在不同特定時段，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)上的實(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2-3 變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖恒壓供水系統(tǒng)一般利用安裝在居民供水管網(wǎng)上的壓力變送器實(shí)時地測量參考點(diǎn)的水壓，測得管網(wǎng)出水壓力，并將該信號轉(zhuǎn)化成420mA的電子信號，該檢測信號是完成恒壓供水的主要參數(shù)。因?yàn)殡娦盘枮槟M量，故必須利用PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行對比，將比較后的結(jié)果通過PID運(yùn)算，再將運(yùn)算

32、后的數(shù)字信號利用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，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵的供水流量，最后維持居民供水管網(wǎng)上的水壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水目的。2.3.3 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)正常啟動，依據(jù)接收到自控系統(tǒng)啟動的正常信號后，啟動變頻器調(diào)節(jié)變頻泵M1開始運(yùn)行，依據(jù)壓力變送器檢測的用戶管網(wǎng)實(shí)際水壓和設(shè)定水壓間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)變頻器的實(shí)際輸出頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)Ml的轉(zhuǎn)速大小，若輸出水壓達(dá)到設(shè)定值，而供水量與用水量也維持平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，該時間段Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 若用水量增大水壓減小，從壓力變送器反饋的

33、壓力信號就會減小，進(jìn)而偏差變大，PLC的輸出信號變大，從而變頻器的輸出頻率相應(yīng)變大，水泵的轉(zhuǎn)速加快，系統(tǒng)供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速會達(dá)到另一個相對穩(wěn)定的值。反之，若用水量降低水壓增加時，利用壓力閉環(huán)系統(tǒng)，減小水泵的轉(zhuǎn)速且會達(dá)到另一個相對穩(wěn)定的值。(3) 若實(shí)際用水量持續(xù)升高，變頻器的輸出頻率等于上限頻率時，若此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓還未達(dá)到設(shè)定水壓，而且達(dá)到增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時，變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將會在PLC的控制下自行投入水泵M2進(jìn)行變速工作，同時變頻泵M1作工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制方式，直至水壓達(dá)到設(shè)定值為止。假使用水量不斷增大，達(dá)到增加水泵的條件，將

34、繼續(xù)發(fā)生如上過程，而另一臺工頻泵M3將開始運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時，水壓沒有達(dá)到設(shè)定值時，系統(tǒng)將會發(fā)出水壓超限報警的信號。(4) 若實(shí)際用水量減少水壓升高，變頻器的實(shí)際輸出頻率已經(jīng)減小至下限頻率，用戶管網(wǎng)中的實(shí)際水壓仍然超過設(shè)定值，而且達(dá)到了減少水泵的相應(yīng)條件時，系統(tǒng)使工頻泵M2停掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)控制，使壓力重新達(dá)到原來的設(shè)定值。若實(shí)際用水量繼續(xù)下降，并且達(dá)到減少水泵的相應(yīng)條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上一樣的過程，且會使另一臺工頻泵M3關(guān)掉。2.3.4 水泵切換條件分析在上述分析的供水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，討論到當(dāng)變頻泵己經(jīng)運(yùn)行在上限頻率，且用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍低于設(shè)定水壓，這時就必須增加水泵

35、數(shù)量來達(dá)到供水需求，完成恒壓的目標(biāo)，若變頻泵和工頻泵都在正常工作且變頻泵己經(jīng)運(yùn)行在下限頻率，此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍超過設(shè)定水壓，此時必須通過減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的要求。那么該怎樣進(jìn)行水泵間切換，才能讓系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定可靠的供水壓力，并且使機(jī)水泵組不會太過頻繁的切換呢?因?yàn)殡娋W(wǎng)的影響以與受限于變頻器和電機(jī)的工作頻率，50HZ自然而然地便成了頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。此外，變頻器的輸出頻率也不可能為負(fù)值，最低也只能是0HZ。事實(shí)上，在實(shí)際情況中，變頻器輸出頻率是不可能降至0HZ，因此當(dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)驅(qū)動水泵組給用戶管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中水壓會產(chǎn)生反作用而作用于水泵，給驅(qū)動水泵運(yùn)行電機(jī)

36、一個反向的力矩，并且該水壓也阻礙源了水池中的水順利地進(jìn)入用戶管網(wǎng)，因此，若電機(jī)運(yùn)行頻率下降到某個值時，水泵其實(shí)已經(jīng)根本抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在具體情形中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個頻率事實(shí)上遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性與系統(tǒng)所使用的場所相關(guān)，一般在20HZ左右浮動。因此人們規(guī)定50HZ和20HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。當(dāng)變頻器實(shí)際輸出頻率達(dá)到上限頻率時，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。如果滿足時就開始相應(yīng)的機(jī)組切換，也有可能因?yàn)樾略黾恿艘慌_機(jī)組參與工作，供水壓力瞬間就超出了設(shè)定壓力。在特殊的運(yùn)行條件下，運(yùn)行機(jī)組數(shù)量增加之后，實(shí)際供水水壓超過

37、了設(shè)定供水壓力，而剛開始運(yùn)行的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時又符合機(jī)組間切換停機(jī)要求，需要將一個運(yùn)行在工頻狀態(tài)下的機(jī)組關(guān)閉。假使用水狀況保持不變，供水泵站中的所有可以自動投切的機(jī)組將循環(huán)這樣一個循環(huán)模式：投入切出再投入再切出，大大增加了機(jī)組切換次數(shù)，使系統(tǒng)始終處在不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，具體的供水壓力也會在較大的壓力圍浮動。該運(yùn)行狀況既無法為供水系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的壓力，更使得機(jī)組頻繁的進(jìn)行切換而增大機(jī)械損耗，縮短了機(jī)組設(shè)備使用壽命。此外，具體供水水壓超調(diào)的現(xiàn)象以與機(jī)組的干擾使實(shí)際壓力的測量值出現(xiàn)峰值，這兩種條件都可能在短時間滿足機(jī)組切換的判別條件。所以，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，判別條件是利用對以上兩個判

38、別條件的綜合而獲得的，其實(shí)質(zhì)就是更加良好的利用了回滯環(huán)和判別條件延時成立的特點(diǎn)。實(shí)際的機(jī)組切換判別情況如下：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3.1 供水設(shè)備的選擇原則在設(shè)計本系統(tǒng)時，第一步是選擇水泵和電機(jī)，選擇的依據(jù)是供水規(guī)模。供水規(guī)模由住宅的類型以與居民用戶的數(shù)量兩個因素決定。具體選擇依據(jù)使用表格如下表。1. 各類住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。各類住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，依照城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50331-2002，節(jié)錄如下表。表3-1 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)住宅類型給水衛(wèi)生器具完善程度

39、用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日）小時變化系數(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，有無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng)0.170.252.01.62. 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）0.10（/h）0.15(/h)0.20(/h)0.25(/h)45039.4059.0078.7098.40500

40、43.8065.6087.50109.4060052.5078.80105.00131.3070061.3091.90122.50153.1080070.00105.00140.00175.00100087.50131.30175.00218.803. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動機(jī)進(jìn)行選型,見下表。表3-3 水泵，電機(jī)和變頻器選型表用水量/（/h）揚(yáng)程/m水泵型號電機(jī)功率/KW配用變頻器/KW50xN6080LG50-20x315158080LG50-20x418.518.510080LG50-20x5222212080LG50-20x63030100xN40100DL218

41、.518.560100DL3303080100DL43737100100DL54545120100DL65555注：N為水泵臺數(shù)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 P=（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa (3.1)5.系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)遵循以下的原則：（1）貯水池本身容量必須大于每小時總供水量峰值；（2）水泵揚(yáng)程一定要超過實(shí)際供水高度；（3）水泵流量總和必須大于實(shí)際用水峰值。3.2 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型依據(jù)基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖3-1所示：由以下電氣總框圖能夠總結(jié)出,該系統(tǒng)的硬件設(shè)備大體上包括以下5大部分：(1) PL

42、C與其擴(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。圖3-1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖3.2.1 PLC與其擴(kuò)展模塊的選型一、可編程控制器的定義可編程控制器英文縮寫為PC，英文全稱為Programmable Controller，經(jīng)過了可編程序矩陣控制器PMC、可編程序順序控制器PSC、可編程序邏輯控制器PLC（英文全稱：Programmable Logic Controller）和可編程控制器PC幾個不同階段。為與個人計算機(jī)（PC）進(jìn)行辨別，而今依然采取可編程邏輯控制器這個老叫法。1987年國際電工會員會（International Electrical C

43、ommittee）頒布的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案中對PLC做了如下解釋：“PLC是一種產(chǎn)生于特定工業(yè)運(yùn)行條件下的數(shù)字運(yùn)算操作的電子自動控制裝置。它采取的存儲器能夠編制程序，該存儲器可在其部存儲單元進(jìn)行邏輯運(yùn)算、計時、算術(shù)運(yùn)算等功能的指令，且可以利用設(shè)計數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出，完成控制不同種類的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC與其相連的外圍部件都應(yīng)當(dāng)按照方便和工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)合為一個有機(jī)整體，還應(yīng)方便于擴(kuò)展其性能的原則而設(shè)計?！倍LC的工作原理當(dāng)PLC正常啟動運(yùn)行，該控制流程大致分為三個部分，輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個部分。完整的完成以上三個部分稱之為一個掃描周期。整個運(yùn)行過程中PLC的CPU都在以

44、相應(yīng)的掃描速度循環(huán)執(zhí)行以上三個操作。(一) 輸入采樣階段 輸入采樣階段，PLC用連續(xù)掃描的方式依次地讀入所有輸入信息，并將該信息存入I/O映像區(qū)的對應(yīng)結(jié)構(gòu)中。完成輸入采樣后，轉(zhuǎn)入到用戶程序輸出刷新和執(zhí)行過程。即使在兩個階段輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)產(chǎn)生了改變，I/O映像區(qū)中的對應(yīng)單元的信息也不會發(fā)生改變。假使輸入信號是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須得超過一個掃描周期，這樣才能確保在任何情形下，該輸入信息都能被準(zhǔn)確讀入。(二) 用戶程序執(zhí)行階段用戶程序執(zhí)行階段，PLC通常掃描用戶程序的順序是由上而下的依次地開始。掃描梯形圖的過程是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的連接線路，按照先左后右、先上后下的即定順序?qū)?/p>

45、由觸點(diǎn)構(gòu)成的整個線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，而后依據(jù)邏輯運(yùn)算得出的結(jié)論，重新調(diào)節(jié)邏輯線圈在系統(tǒng)RAM中相對應(yīng)位置的運(yùn)行狀態(tài)；確定是否應(yīng)該完成對該梯形圖所規(guī)定的特殊性能指令。 (三) 輸出刷新階段掃描用戶程序過程結(jié)束后，PLC就開始進(jìn)入輸出刷新過程。在此過程，CPU根據(jù)I/O映象對應(yīng)的信息刷新全部輸出鎖存電路，再利用輸出電路驅(qū)動與之相對應(yīng)的外部設(shè)備。三、PLC的特點(diǎn)(1)可靠性相對比較高，抗干擾能力也較強(qiáng)。(2)硬件配套比較齊全，性能比較齊全。(3)方便學(xué)習(xí)與應(yīng)用，被廣大工程技術(shù)人員所接受。(4)系統(tǒng)建造的周期大為縮短，維護(hù)相對簡單，改造十分容易。(5)體積僅相當(dāng)于幾個繼電器的大小，重量輕且能耗低。四、P

46、LC的應(yīng)用和發(fā)展世界上公認(rèn)的首臺PLC是美國數(shù)字設(shè)備公司所研發(fā)的。受限于當(dāng)時元器件條件與計算機(jī)發(fā)展應(yīng)用水平，早期的PLC通常由分立組件和集成電路兩部分組成，可以實(shí)現(xiàn)相對簡單的邏輯控制過程與定時、計數(shù)過程。20世紀(jì)70年代初產(chǎn)生了微處理器，人們迅速將該器件引入到PLC，使PLC增加了許多新興功能如運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送與處理等，真正實(shí)現(xiàn)了具備計算機(jī)特征的工業(yè)自動控制系統(tǒng)。為了方便人們了解熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的使用，可編程控制器利用與繼電器電路圖比較相似的梯形圖作為重要編程工具 ，且將在計算機(jī)中參與計算與處理過程的存儲組件都用繼電器加以命名。此時的可編程控制器是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制理論相總結(jié)的結(jié)晶。

47、20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用發(fā)展階段，計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)全方面被應(yīng)用到可編程控制器，使其結(jié)構(gòu)功能發(fā)生了巨大飛躍。更高的運(yùn)算速度、更小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾能力、模擬量運(yùn)算、PID功能與較高的性價比奠定了它在當(dāng)今控制領(lǐng)域中的重要地位。20世紀(jì)80年代初，可編程控制器在眾多發(fā)達(dá)國家中已取得普遍運(yùn)用。那個時代可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。該階段的另一個特點(diǎn)是世界上發(fā)展可編程控制器的國家數(shù)量日趨上升，產(chǎn)量日益增加。這意味著可編程控制器已步入成熟發(fā)展的新階段。20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加迫切地滿足于現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。從發(fā)展規(guī)模上來講，這

48、個階段研發(fā)了各種功能大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來講，產(chǎn)生了形形色色的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制情形；從產(chǎn)品的配套能力上講，開發(fā)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)備的配套變得十分簡單。日前，PLC在國外已普遍使用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、與文化娛樂等不同行業(yè)，被稱為現(xiàn)代控制技術(shù)的三大砥柱之一。五、西門子S7-200PLC簡介西門子公司擁有品種十分充裕的PLC產(chǎn)品。S7系列屬于傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品，S7-200屬于小型PLC，在1998年衍生為第二代產(chǎn)品，隨后升級為第三代產(chǎn)品，其多方面優(yōu)點(diǎn)如下：(1) 功能

49、相對較為強(qiáng)大。S7-200擁有共5種不同的CPU模塊，可進(jìn)行擴(kuò)展至最多7個擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展到248點(diǎn)數(shù)字量或38路模擬量，最多有超過30KB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)，強(qiáng)大的功能編程軟件；(3) 相對較為靈活方便的尋址方法；(4) 強(qiáng)大的通信功能和品種齊全的配套人機(jī)界面；(5) 比較有競爭力的市場價格；(6) 完善的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持等。六、PLC與其擴(kuò)展模塊的選型PLC是整個供水控制系統(tǒng)中的核心器件，該器件需要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中所有輸入信號的收集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以與對外的信息交換。所以當(dāng)我們在挑選PLC時，需充分考慮PLC的指令執(zhí)行速度、指令種類豐富程度、存空間

50、大小、通訊接口與協(xié)議是否簡單方便、擴(kuò)展模塊的能力等諸多方面條件。因?yàn)楹銐汗┧詣涌刂葡到y(tǒng)的主要控制設(shè)備相對較少，所以PLC選用德國SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的結(jié)構(gòu)相對緊湊，成本十分低廉，具備較高的性價比，能夠普遍應(yīng)用于一些小型控制系統(tǒng)。SIEMENS公司的PLC具備高可靠性，擴(kuò)展性較高，又擁有比較齊全的通信指令系統(tǒng)，且通信協(xié)議十分簡單等優(yōu)點(diǎn)；PLC能夠與工業(yè)控制用的計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連接，對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行一定的監(jiān)測與控制。依據(jù)控制系統(tǒng)具體所需端子數(shù)量，考慮PLC端子數(shù)量需要有一定的預(yù)留量，所以主模塊是CPU226。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

51、以還需擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選用的是EM235。EM235模塊能夠針對各種標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號，利用DIP開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定。3.2.2 變頻器的選型一、變頻器的定義變頻器是利用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)通過改變電機(jī)工作電源頻率方法來調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的電力調(diào)節(jié)設(shè)備。整流（交流變直流）、逆變（直流變交流）、濾波、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等不同種類功能的單元組成了變頻器。通過調(diào)節(jié)電源的頻率來實(shí)現(xiàn)對電源電壓的調(diào)節(jié)，依據(jù)電機(jī)的實(shí)際需求來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。二、變頻器的工作原理變頻器的工作原理從主電路和控制電路兩大方面來闡明。第一、主電路為電力變換部分，他為異步電動機(jī)提供了調(diào)壓調(diào)頻電

52、源，變頻器的主電路大體上可分為兩類：將電壓源的直流變換為交流的變頻器屬于電壓型，電容是該直流回路的濾波。將電流源的直流變換為交流的變頻器屬于電流型，電感是該直流回路濾波。 它由三部分構(gòu)成，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，以與將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 （1）整流器最近廣泛使用的是二極管的變流器，它可以將工頻性質(zhì)的電源變換為直流性質(zhì)電源。也可使用兩組晶體管變流器構(gòu)成功率方向可逆、可進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)的可逆變流器。 （2）平波回路整流器整流后的直流電壓系統(tǒng)中含有的脈動電壓電源頻率的6倍，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使電壓系統(tǒng)中的直流電壓發(fā)

53、生改變。實(shí)際電路為了抑制電壓波動，采取利用電感和電容等原件去吸收脈動電壓（電流）。裝置容量相對較小時，假使電源和主電路之間構(gòu)成的器件有余量，能夠省去電感而采用相對較為容易的平波回路。 （3）逆變器與整流器所相比，逆變器是將直流性質(zhì)的電流變換為需要的頻率的交流性質(zhì)的電流，在已經(jīng)確定的時間使6個開關(guān)元件進(jìn)行導(dǎo)通、關(guān)斷就能夠獲得3相交流輸出。利用電壓型PWM逆變器為例表示出關(guān)斷時間與電壓波形。 第二、控制電路是給電機(jī)提供電能（電壓、頻率可調(diào)）的主電路，該電路還能提供控制信號，通常由將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動電路”，頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機(jī)的“速度檢測

54、電路”，以與逆變器和電動機(jī)的“保護(hù)電路”組成 。（1）運(yùn)算電路：對外部電路各種速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號開始進(jìn)行比較運(yùn)算，從而決定逆變器的輸出電壓和輸出頻率。 （2）電壓電流檢測電路：與主回路相電位隔離，用于檢測電壓、電流等。 （3）驅(qū)動電路：能夠驅(qū)動主電路器件。與控制電路隔離使主電路器件進(jìn)行導(dǎo)通、關(guān)斷。 （4）速度檢測電路：用安裝在異步電機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器的信號作速度信號，送至運(yùn)算回路，依據(jù)指令和運(yùn)算可讓電動機(jī)依據(jù)指令進(jìn)行工作。 （5）保護(hù)電路：當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，令逆變器工作停止或抑制電壓、電流值，測量主電路的電壓。 三、變頻器的節(jié)能變頻節(jié)能、功率因數(shù)補(bǔ)償節(jié)能和軟

55、啟動節(jié)能這三個方面的節(jié)能構(gòu)成了變頻器節(jié)能的容。（1）變頻節(jié)能變頻器節(jié)能主要反映在風(fēng)機(jī)、水泵這兩類生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用上。為了確保生產(chǎn)的可靠性這個關(guān)鍵前提，各類不同的生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計配用動力驅(qū)動時，一般都設(shè)有一定的富余量。假使電機(jī)不能在滿負(fù)荷得條件下工作時，除滿足動力驅(qū)動需求之外，剩余的力矩大大增加了有功功率的消耗，并且造成能源的白白浪費(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)備過去的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來控制給風(fēng)量和給水量，輸入功率一般較大，并且大量能源消耗在多余的擋板、閥門截流的過程中。當(dāng)使用變頻調(diào)速時，假使流量要求減小，只需要使泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的降低即可達(dá)到要求。 電動機(jī)使用變頻器的目的就是為了降低

56、啟動電流并調(diào)速。該設(shè)備首先需把電源的交流電變換為直流電（DC），這樣做的目的為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，術(shù)語稱之為為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們將它稱之為變頻器。變頻器輸出的模擬正弦波多是用在三相異步電動機(jī)調(diào)速過程中，故而又叫做變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設(shè)備中，對波形要求相對較高的可變頻率逆變器，要對波形進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波的通常是變頻電源。通常變頻電源的價格是變頻器的1520倍。變頻器設(shè)備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率裝置叫“inverter”，所以該產(chǎn)品被命名為“inverter”，（即變頻器）。變頻不是處處可以省電，且有許多場合用變頻并不一定能省電。 作為電子電路，變頻器本身也需要消耗電能（約額定功率的3-5%）。一臺1.5匹的空調(diào)自身耗電算下來也有20-30W，相當(dāng)于一盞長明燈. 工頻下運(yùn)行的變頻器具有節(jié)能功能是事實(shí)。但是他的前提條件是： 第一、為風(fēng)機(jī)/泵類負(fù)載且功率相對較大； 第二、裝置本身具備軟件支持的節(jié)電功能； 第三、處于長期持續(xù)的工作狀態(tài)。 這是體現(xiàn)節(jié)電效果的三個基本條件。除此之外，節(jié)不節(jié)電并沒有什么現(xiàn)實(shí)意義。假使不加前提條件的盲目探討變頻器工頻運(yùn)行的節(jié)能性，就是夸大變頻