基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)論文題目：基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)緒論1.1引言水是生命之源，人們對(duì)用水品質(zhì)、安全等問題愈加重視。要實(shí)現(xiàn)供水量與消費(fèi)量的一致必須要保持恒定的供水壓力。以城市的水供給管網(wǎng)絡(luò)為中心，通過水泵來驅(qū)動(dòng)泵機(jī)產(chǎn)生壓力，使網(wǎng)管水流動(dòng)，從而達(dá)到給用戶送水的目的。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的策略是：通過PLC、頻率可變控制器、壓力變送器和電機(jī)構(gòu)成變頻調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目的是泵站主管道的出口壓力。系統(tǒng)有三臺(tái)水泵可用于流量調(diào)節(jié)，通過對(duì)主供水管壓力表的實(shí)測值和壓力表實(shí)測值的比較，通過CPU的PID算法處理的差異，然后CPU發(fā)出控制指令，改變泵的轉(zhuǎn)速和泵數(shù)，比如一臺(tái)作變速運(yùn)行時(shí)其他兩泵作恒速運(yùn)行。這樣，主管道的壓力就穩(wěn)定在這些值之內(nèi)，從而保證了供水能力與用水的平衡[1]。本文實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)是以PLC為中心、結(jié)合傳感器和數(shù)字PID技術(shù)，監(jiān)控方面使用MCGS軟件設(shè)計(jì)。在高峰期啟動(dòng)兩個(gè)水泵的供水方式是一個(gè)耗時(shí)的操作，特別是給高層居民帶來供水不便。全速運(yùn)行，導(dǎo)致嚴(yán)重浪費(fèi)電。以變頻調(diào)速為核心，恒壓供水控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，具有平穩(wěn)可靠啟動(dòng)、設(shè)備壽命延長等優(yōu)點(diǎn)。按照以上要求，首先確定總體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速用頻率可變控制器以及PLC；其次，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件，設(shè)置頻率可變控制器參數(shù)，分配I/O點(diǎn)；最后，在軟件設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過對(duì)供水系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了軟件流程圖和梯形圖程序。文中介紹了系統(tǒng)的運(yùn)行方案、電氣原理圖、梯形圖控制程序和監(jiān)控系統(tǒng)等[2]。1.2課題背景及意義現(xiàn)在我國城市建設(shè)的發(fā)展十分迅速，供水問題在中小城市的高樓建筑中也越發(fā)突出。能夠滿足供水需求的系統(tǒng)首先要求改善供水水質(zhì)，供水水壓的波動(dòng)不會(huì)引起供水的故障；其次必須在供水的安全可靠性方面有保證。傳統(tǒng)供水使用水塔的方式雖然控制方式簡單且在停電時(shí)可實(shí)現(xiàn)不斷水，但仍然存在諸多缺點(diǎn)：一是不能滿足峰谷使用的要求；二是供水壓力大幅度變化，會(huì)破壞管道和閘門，導(dǎo)致維護(hù)成本較高；第三，它對(duì)環(huán)境有一定的影響是不可避免的。供水系統(tǒng)如今的發(fā)展方向是自主控制、高效運(yùn)行以及節(jié)約能源，變頻調(diào)速控制方式的優(yōu)勢就是在穩(wěn)定性和節(jié)能結(jié)果方面比較突出，起動(dòng)電流低對(duì)網(wǎng)管及電網(wǎng)無打擊，在高能耗裝備上有普遍應(yīng)用。我國的供水機(jī)泵雖然類型多、范圍廣且數(shù)量大，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上國外的先進(jìn)技術(shù)，尤其是在工程標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)效益等指標(biāo)方面[3]。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是自控和變頻原理的結(jié)合，可隨水量的不同自主改變系統(tǒng)的工作參數(shù)，而頻率可變控制器的采用使得水泵轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)得以實(shí)現(xiàn)，管網(wǎng)的恒定水壓也得以保持。系統(tǒng)不僅在可靠穩(wěn)定性上有進(jìn)步，使用戶對(duì)供水的需求得到滿足，而且有效減小了水壓對(duì)設(shè)備的沖擊，節(jié)能效果明顯。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究對(duì)于解決現(xiàn)在能源緊缺造成的問題、提高人民生活水平等方面有重大的現(xiàn)實(shí)意義。1.3供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀變頻調(diào)速技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率和電壓發(fā)生變化的技術(shù)，它在各種產(chǎn)業(yè)中廣泛使用，如家電產(chǎn)品、運(yùn)輸、纖維、機(jī)械、冶金等化學(xué)工業(yè)，具有高效節(jié)能、調(diào)速平穩(wěn)、完善的保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。為了提高國家能源效率計(jì)劃，該項(xiàng)技術(shù)是非常重要的[4]。隨著的電力電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，世界性能源不足問題也愈發(fā)突出，在定壓供給水系統(tǒng)中頻率可變控制技術(shù)的應(yīng)用變得更多，水供應(yīng)環(huán)境得到了很大的改善。通過使用供給網(wǎng)管中的瞬時(shí)壓力變化，在供給系統(tǒng)的實(shí)際時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)水泵的速度，通過開關(guān)、PLC等智能控制裝置來切換泵電機(jī)?？梢员３制涔芫W(wǎng)壓力設(shè)定點(diǎn)的壓力。與高塔的水供應(yīng)系統(tǒng)和氣壓水箱供水系統(tǒng)等具有一定速度的傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，頻率可變控制系統(tǒng)供水的穩(wěn)定性、靈活性和節(jié)能性更高。目前，海外的恒定壓力控制技術(shù)比國內(nèi)更先進(jìn)，用于定壓供水系統(tǒng)的頻率可變控制器也相對(duì)更成熟，更值得信賴。但是就現(xiàn)狀而言，供水技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展并不能全范圍覆蓋，對(duì)于消費(fèi)者的不同需求，還有很長一段路要走。因此，進(jìn)一步改善的話，對(duì)可變頻率的提高和工作性能中的定壓供給水系統(tǒng)的研究是必要的，使其更好地在生活和生產(chǎn)實(shí)踐得到運(yùn)用[5]。1.3.2變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢現(xiàn)在供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)對(duì)穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)行維修上提出來更高的要求，所以希望能夠自動(dòng)減輕工人的勞動(dòng)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，使供水系統(tǒng)有更高效的操作性和可靠性。供水系統(tǒng)的未來趨勢：采用組合式、簡單、高效、節(jié)能和自動(dòng)高信率的自動(dòng)機(jī)械泵開關(guān)；可以自動(dòng)報(bào)警并記錄音頻數(shù)據(jù)；與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)界的動(dòng)態(tài)動(dòng)作參數(shù)連接，從計(jì)算機(jī)的指令被接收為實(shí)現(xiàn)水供給系統(tǒng)的智能動(dòng)作。許多頻率可變控制器是特別為國內(nèi)外供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，集成化程度越來越高。與小功率和小容量場合應(yīng)用較廣泛相比，國產(chǎn)頻率可變控制器大型場合下仍有不足，還需要不斷努力的研究設(shè)計(jì)才能應(yīng)用于更大的環(huán)境。1.4PLC概述1.4.1可編程邏輯控制器簡介PLC是基于集成電子控制電路技術(shù)的設(shè)備，屬于計(jì)算機(jī)家族，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)中的工業(yè)過程等一系列自動(dòng)化任務(wù)。PLC的開發(fā)原本是為了取代繼電器而服務(wù)于汽車工業(yè)。作為自動(dòng)化控制器，自那時(shí)以來，因?yàn)楦呖煽啃远沟闷湓诃h(huán)境惡劣時(shí)也能應(yīng)用良好[6]。早期的PLC被設(shè)計(jì)成替代繼電器邏輯系統(tǒng)的設(shè)備。對(duì)低成本、多用途和容易委托的控制器的需求導(dǎo)致了PLC的發(fā)展，如今已被加固并適合于控制制造過程，例如裝配線或機(jī)器人裝置，可在各種工業(yè)應(yīng)用中快速簡單地使用。長久發(fā)展下來，PLC已經(jīng)具有的強(qiáng)大的功能、完善的控制系統(tǒng)編程方法。與大多數(shù)其他計(jì)算設(shè)備的主要區(qū)別在于PLC可容忍更苛刻的條件同時(shí)提供廣泛的輸入/輸出（I/O）以將PLC連接到傳感器和致動(dòng)器。1.4.2西門子S7-200系列PLC簡介SIMAICS7-200微型PLC系統(tǒng)是一個(gè)全功能的可編程控制系統(tǒng)，可以解決大部分應(yīng)用程序，適合大多數(shù)自動(dòng)控制設(shè)備。每個(gè)緊湊的S7-200CPU單元是完全自包含的，并且包括CPU、電源和輸入/輸出點(diǎn)（I/O）。更大的系統(tǒng)，具有附加的I/O、通信或操作員交互需求，可以通過添加擴(kuò)展模塊來配置[7]。特點(diǎn)如下：（1）獨(dú)立的CPU，結(jié)構(gòu)小而且緊湊，強(qiáng)大的性能；（2）最優(yōu)微模塊化擴(kuò)展能力和通信數(shù)據(jù)的開放性；（3）簡單的離散、浮點(diǎn)數(shù)學(xué)控制能力；（4）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的容量大；（5）操作過程和順序快速而精準(zhǔn)。2變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案2.1系統(tǒng)的理論分析2.1.1水泵工作原理及節(jié)能原理泵是一種利用自然基本的力量通過機(jī)械作用來移動(dòng)流體（液體或氣體）的裝置。實(shí)質(zhì)上把水傳遞輸送到目的地，即增加壓力把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體能量。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的泵部件（葉輪、葉片、活塞隔膜等）開始移動(dòng)時(shí)，泵內(nèi)液體也隨之移動(dòng)，空氣被推開?？諝獾倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了部分真空（低壓），它可以被更多的空氣填充。因此更多的液體因?yàn)榇髿鈮毫α魅胨脙?nèi)，就這樣連續(xù)被吸進(jìn)液池中然后又連續(xù)從水泵出口排出。泵的功率損耗與速度的立方成比例。節(jié)流閥模式下電機(jī)始終在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。設(shè)想在閥門開度為80%時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，此時(shí)設(shè)速度為n1，功率為p1。當(dāng)采用變頻方式時(shí)，只有低速電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的80%，同時(shí)把閥門完全打開，才可以滿足同樣的供水需求[8]。則此時(shí)兩次功率損耗的關(guān)系如公式2-1所示。（2-1）從公式上看，變頻損耗功率與傳統(tǒng)方式相比小得多。所以在節(jié)能潛力上，變頻恒壓供水系統(tǒng)的效果更加明顯[8]。2.1.2供水系統(tǒng)恒壓原理供水系統(tǒng)通過控制出口壓力來改變管道的控制方式和管網(wǎng)壓力設(shè)定值。揚(yáng)程特性曲線：泵在流量不同時(shí)有不同的揚(yáng)程，如下圖2-1。該曲線由于頻率變換速度控制電機(jī)改變轉(zhuǎn)速時(shí)也發(fā)生變化。保持閥門開度不變。管阻特性曲線：泵管道在不同流量時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力不同，如下圖2-1。圖2-1供水系統(tǒng)的恒壓原理要達(dá)到改變泵流量和揚(yáng)程的目的，需要使管阻性線與揚(yáng)程性線的交點(diǎn)發(fā)生變化，即使泵的管道阻力系數(shù)發(fā)生變化，根本上是使出口閥門開度發(fā)生變化。在該系統(tǒng)中，要達(dá)到改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，就是要使頻率變換器的輸出頻率發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)速變化后，管阻特性曲線不變時(shí)，與揚(yáng)程特性曲線相交成為泵新的工作點(diǎn)上，用水流量Qu和供水流量Qc相平衡，揚(yáng)程特性和管阻特性同時(shí)得到滿足，則此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。只有準(zhǔn)確控制供水量，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的才能達(dá)到。在閥門開度恒定時(shí)，改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度可以使流量的大小發(fā)生變化。用水量增大則供水流量Q增大，管網(wǎng)供水壓力也隨之降低，這時(shí)需要增大頻率可變控制器的輸出頻率才能保持供水壓力恒定，則水泵的轉(zhuǎn)速也增加，反之亦然。如下公式2-2所示，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度n與頻率f成正比，公式中極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)差率s。根據(jù)改變電機(jī)供電頻率改變供水速度進(jìn)而改變供水流量，是變頻供水系統(tǒng)的原理。（2-2）通過用戶的供水管所設(shè)置的壓力變送器，將定壓供給水系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測基準(zhǔn)點(diǎn)水壓和管網(wǎng)絡(luò)的水壓，自動(dòng)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。因?yàn)槭悄M信號(hào)，所以需要將實(shí)際值與設(shè)定值的偏差比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，再通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量?？刂祁l率可變控制器的輸出頻率，達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度的控制，來控制泵的水的供給流量，以保持用戶的供水管的壓力為恒定，實(shí)現(xiàn)頻率變換和定壓供水。2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定2.2.1控制方案的確定根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制、自動(dòng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示、三相電流泵的自動(dòng)測量、具有過電壓報(bào)警等保護(hù)功能、便于設(shè)備故障維修等，本系統(tǒng)的控制方式需要考慮有兩種模式：手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。根據(jù)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，采用現(xiàn)代控制理論與PID控制相結(jié)合，電機(jī)調(diào)速裝置和PLC通過調(diào)速器優(yōu)化泵運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行單位數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的閉環(huán)控制，然后控制泵站的水壓。系統(tǒng)運(yùn)行后，水壓泵站主水壓和設(shè)定的系統(tǒng)反饋更大，與輸入CPU的差值進(jìn)行處理，如果差值超過設(shè)定范圍，則發(fā)出控制指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，使主水壓和設(shè)定壓力值始終保持一致，從而保持穩(wěn)定的網(wǎng)管壓力。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)是用頻率可變控制器循環(huán)控制水泵電壓控制裝置，使用管網(wǎng)供水的壓力一定，實(shí)現(xiàn)泵電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和頻率變換泵之間的開關(guān)，并且實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的功能。根據(jù)需要，考慮系統(tǒng)的使用場所，本文采用頻率可變控制器通用模式與PLC控制結(jié)合實(shí)現(xiàn)該變頻恒壓供水系統(tǒng)[10]。2.2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括控制器、執(zhí)行器和測量傳感器和監(jiān)控器四個(gè)部分，形成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？刂破髦饕删幊炭刂破鱌LC、PI控制器、頻率可變控制器和電控組?？刂破髯鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)的控制核心，主要用于手動(dòng)啟動(dòng)和停止各單元，處理模擬量，控制泵啟動(dòng)和切換、PID控制調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)處理。執(zhí)行器的構(gòu)成是變頻泵1臺(tái)和只能運(yùn)行于起停工作狀態(tài)的2臺(tái)工頻泵。變頻泵通過頻率可變控制器控制可根據(jù)水量的不同改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而工頻泵在變頻泵達(dá)到頻率上限時(shí)投入工作。測量傳感部分包括壓力變送器、液位變送器、壓力表及報(bào)警、報(bào)警鈴，主要用于測量管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)以及實(shí)現(xiàn)SIIEMS運(yùn)行的水壓、流量、溫度等控制策略。防止水泵空轉(zhuǎn)、電機(jī)過載等故障。監(jiān)控部分中文組態(tài)軟件，主要用于系統(tǒng)菜單操作、測量信號(hào)量化顯示參數(shù)設(shè)置、故障信息處理、報(bào)警信號(hào)顯示。供水系統(tǒng)的流程如下圖2-2所示。圖2-2變頻恒壓供水系統(tǒng)流程圖變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。將其與給定值比較，設(shè)置頻率轉(zhuǎn)換器通過PID進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，輸出運(yùn)行頻率。PID模塊可以進(jìn)行比較、差分操作。當(dāng)實(shí)際供水壓比給定值低時(shí)，頻率可變控制器的輸出頻率就會(huì)提高，否則會(huì)降低，另外差分調(diào)節(jié)會(huì)隨著壓力的改變而工作。系統(tǒng)運(yùn)行后，水壓泵站主水壓和設(shè)定的系統(tǒng)反饋更大，與輸入CPU的差值進(jìn)行處理，如果差值超過設(shè)定范圍，則發(fā)出控制指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)速一致，使主水壓和設(shè)定壓力值始終保持一致，從而保持穩(wěn)定的網(wǎng)管壓力。圖2-3供水系統(tǒng)框圖2.2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒壓供水是一個(gè)閉環(huán)控制過程，頻率可變控制器執(zhí)行控制過程，輸出頻率不同則使達(dá)到改變供水壓力的目的，完成整個(gè)運(yùn)行控制過程。該系統(tǒng)PLC的功能是調(diào)整水泵運(yùn)行數(shù)量并且控制交流接觸器組在不同需求下進(jìn)行工頻和變頻的切換。（1）系統(tǒng)開始工作，如上圖接通KM1，以變頻方式運(yùn)行1號(hào)泵。根據(jù)設(shè)定值與實(shí)測量值偏差來調(diào)節(jié)輸出頻率，控制1號(hào)泵的運(yùn)行速度。當(dāng)它與設(shè)定值相同時(shí)，水的供給量與消耗量相同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)在這個(gè)期間內(nèi)處于調(diào)整速度的工作狀態(tài)。（2）水消耗變大→供水壓力變小→反饋信息弱化→偏差差距加大→加大輸出的信號(hào)→頻率增強(qiáng)→轉(zhuǎn)速加快→供水量大增→轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。反之，亦然。（3）水消耗仍然變大→頻率變換器達(dá)到上限但實(shí)際壓力沒有達(dá)到設(shè)定值→輸出上限信號(hào)→斷開KM1、接通KM2，以工頻運(yùn)行1號(hào)泵→接通KM3，2號(hào)以變頻起動(dòng)→閉環(huán)調(diào)節(jié)繼續(xù)。（4）水消耗仍然變大→收到上限輸出信號(hào)→斷開KM3、接通KM4，以工頻運(yùn)行2號(hào)→同時(shí)接通KM5，以變頻運(yùn)行3號(hào)泵→輸出頻率達(dá)到上限但壓力沒有→水壓超限報(bào)警。（5）水消耗變小→水壓變大→變頻器頻率小到下限，實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值→輸出下限信號(hào)→KM5、KM4接通，KM2吸合，變頻啟動(dòng)2號(hào)泵→閉環(huán)調(diào)節(jié)繼續(xù)→再次收到下限信號(hào)。2.2.4水泵切換控制分析為了確定頻率可變控制器的工作頻率，PLC通過檢測其上限和下限輸出頻率，使水的接觸器組泵的數(shù)量增加或減少。PLC正常運(yùn)行時(shí)，可以通過控制直接連接到PLC輸入的開關(guān)按鍵組來改變輸出狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能。當(dāng)手動(dòng)控制的情況下，系統(tǒng)可以通過手動(dòng)按鈕直接控制特定的接觸器的動(dòng)作狀態(tài)來進(jìn)行硬件工作情況的測試和調(diào)試。在自動(dòng)控制的情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的頻率可變控制器頻率自動(dòng)調(diào)整交流接觸器的工作狀態(tài)[12]。PLC不但對(duì)交流接觸器的控制發(fā)揮著重要的作用，另外具有控制電磁閥的故障點(diǎn)的功能。有時(shí)用水量越增加，一臺(tái)變頻泵效率達(dá)不到設(shè)定值，此時(shí)增加以工頻形式運(yùn)行的泵來提供供水就有需要，但是合適且不過于頻繁的切換才能使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。（1）電機(jī)運(yùn)行的上限頻率：50Hz。因?yàn)殡娏W(wǎng)絡(luò)、頻率變換器、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率的限制。（2）電機(jī)運(yùn)行的下限頻率：20Hz。由于水泵機(jī)組在工作頻率減小到某個(gè)值時(shí)水已經(jīng)抽不出來了，此時(shí)，供水壓力并不會(huì)隨頻率減小而繼續(xù)降低。即此時(shí)這個(gè)比0Hz大很多的工作頻率就作為下限頻率，所以選取這個(gè)值作為下限頻率。當(dāng)輸出達(dá)到頻率的上限值時(shí)，如果一旦供水壓力設(shè)定值大于反饋壓力即時(shí)就開始控制切換電機(jī)，會(huì)造成供水壓力突然比設(shè)定值大太多的情況，那么系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所降低。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，只有明確切換電機(jī)條件才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，這就要考慮回滯環(huán)思想進(jìn)行條件分析，如下圖2-4。圖2-4用于壓力判斷的回滯環(huán)即：如果頻率可變控制器的輸出頻率達(dá)到上限，要想增加電機(jī)組，需要在實(shí)際供水壓力值比設(shè)定值小△Pd/2時(shí)才成立；反之亦然?；販h(huán)表明如果滿足切換條件，則實(shí)際水壓不能滿足設(shè)定的要求。但完全用滿足這個(gè)判別條件來證明需要機(jī)組切換是存在例外的，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。所以有必要在判別條件中加入延時(shí)的判斷。所謂延時(shí)判別，主要是當(dāng)光不能滿足目前供電需求的時(shí)候，必須進(jìn)行換機(jī)組的切換，還需要繼續(xù)保持一段時(shí)間，即在延時(shí)后才能進(jìn)行切換操作；反之則不成立，也就不能進(jìn)行切換操作[13]。因此，實(shí)際的機(jī)組切換應(yīng)滿足延時(shí)條件且符合公式2-6和2-7所示。增加泵的判別條件：，（2-6）減少泵的判別條件：，（2-7）式中，是上限頻率，是下限頻率，是設(shè)定壓力，是反饋壓力。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)主要設(shè)備的選型電氣控制總框圖如下圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)的電氣控制總框圖由圖3-1可以看出，本文設(shè)計(jì)的供水系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備選型包括PLC和擴(kuò)展模塊、壓力液位變送器、頻率可變控制器水泵機(jī)組如表3-1。3.1.1PLC及其擴(kuò)展模塊的選型可變頻率調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的重點(diǎn)部分是PLC，為了與外部交換數(shù)據(jù)、采集所有輸入輸出信號(hào)、控制定壓供給水，在選型時(shí)指令的執(zhí)行速度、內(nèi)存空間、通信接口等多方面因素要考慮在內(nèi)。本文選擇的是S7-200型PLC，生產(chǎn)于德國SIEMENS公司，它特點(diǎn)如下：①高可靠性、緊湊的結(jié)構(gòu)、簡單的通信協(xié)議、豐富的通信指令，可以連接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成監(jiān)測控制。使可編程控制器和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊交換可以通過PC/PPI電纜。②選用CPU222為PLC的主模塊。繼電器輸出是AC220V。③對(duì)于各種輸入信號(hào)，EM235通過開關(guān)可以進(jìn)行設(shè)置，在接入數(shù)模轉(zhuǎn)換端口時(shí)轉(zhuǎn)換能自主進(jìn)行。3.1.2變頻器的選型頻率可變控制器是這個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行控制程序的硬件。頻率轉(zhuǎn)換器改變出水量是通過改變頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電流和功率來選型。另外頻率轉(zhuǎn)換器需要具有通信功能才能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控整個(gè)供水系統(tǒng)的功能。變頻器為實(shí)現(xiàn)與上述PLC選型之間數(shù)據(jù)交換、信息通訊更便捷，則選擇西門子的MicroMaster430。特點(diǎn)如下：①可根據(jù)不同的需要自定義I/O端口功能。RS-485/232C接口在頻率轉(zhuǎn)換器本身內(nèi)部就存在，還有它的閉環(huán)控制器PI在執(zhí)行小控制流程時(shí)非常便捷。②輸出功率范圍為7.5至250KW，可在大功率、高要求的情況下應(yīng)用。水泵電機(jī)功率為75KW，則該變頻器的輸出信號(hào)滿足成為該電機(jī)輸入信號(hào)的要求。③便于設(shè)備信息傳送和數(shù)據(jù)交流。PLC可與通信端口RS-485直接相連。3.1.3水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型要根據(jù)要求并結(jié)合實(shí)際，選擇的3臺(tái)水泵是上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的功率為75KW的SFL系列。①網(wǎng)管水壓應(yīng)是0.3±0.01Mpa，電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)的功率為75KW。②與用水量變化幅度相同，運(yùn)行應(yīng)處于高效率區(qū)，節(jié)能效果好。③運(yùn)行平穩(wěn)，性能可靠。④它可以輸送清水等流質(zhì)，低噪音、磨損小、壽命更長。一般用在城市給排水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)等[15]。3.1.4壓力變送器的選型在泵站的出水口的常設(shè)裝置，主要有檢測管網(wǎng)水壓的功能。A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸入信號(hào)是模擬量，而水壓信號(hào)為數(shù)字量，所以需要轉(zhuǎn)化為模擬量，范圍是4~20mA。干擾或者損耗是信號(hào)傳輸過程中不可避免的，所以壓力變送器選擇4~20mA輸出。①當(dāng)發(fā)出壓力上限輸出信號(hào)則將水泵關(guān)閉并報(bào)警，防止用電器的損壞或水管爆裂等問題。②送給EM235模塊的進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的電流信號(hào)是4~20mA，上、下限壓力值可以通過設(shè)定來改變，繼電器執(zhí)行輸出壓力超過限制的信號(hào)[16]。表3-1系統(tǒng)主要硬件設(shè)備主要設(shè)備型號(hào)及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU222模擬量擴(kuò)展模塊SiemensEM235頻率可變控制器SiemensMM430水泵機(jī)組SFL系列水泵3臺(tái)（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)3.2系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)KM2、4、6決定以變頻方式工作。該供水系統(tǒng)是三個(gè)泵的工作方式是依次使用循環(huán)泵。在少量用水時(shí)，為避免同臺(tái)水泵工作時(shí)間過長，在變頻泵連續(xù)運(yùn)行超過三小時(shí)則要換另一臺(tái)水泵。接觸器KM1、2，KM3、4，KM5、6需要電氣互鎖的設(shè)計(jì)因?yàn)槿绻鼈兺瑫r(shí)閉合或斷開會(huì)造成變頻、工頻狀態(tài)工作紊亂[17]。圖3-2變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖3.3系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)選擇PLC為西門子S7-200系列具有自動(dòng)變頻并實(shí)現(xiàn)壓力保持恒定的功能。圖3-3為電控系統(tǒng)控制電路圖，0.0~0.5為PLC輸出軟電器觸點(diǎn)，其中用于系統(tǒng)工作在可變頻率時(shí)的是0.1、0.3、0.5，則0.2、0.4用于工作在工頻狀態(tài)。如圖3-4為變頻器接線圖。圖3-3供水系統(tǒng)控制電路圖圖3-4變頻器接線圖3.4PLC的I/O端口分配及外圍接線根據(jù)以上的控制要求，系統(tǒng)I/O端口分配如表3-2所示。表3-2I/O端口地址分配名稱代碼地址編號(hào)輸入信號(hào)自動(dòng)/手動(dòng)模式SA1I0.0水池水位上下限信號(hào)SLH/LI0.1/I0.2頻率可變控制器報(bào)警信號(hào)SUI0.3消鈴按鈕SB9I0.4試燈按鈕SB10I0.5壓力變送器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號(hào)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、HL2Q0.1續(xù)表3-2名稱代碼地址編號(hào)2#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、HL4Q0.33#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM5、HL5Q0.43#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈KM6、HL6Q0.5輸出信號(hào)水池水位上下限報(bào)警指示燈HL7Q1.1頻率可變控制器故障報(bào)警指示燈HL8Q1.2白天模式運(yùn)行指示燈HL9Q1.3報(bào)警電鈴HAQ1.4頻率可變控制器頻率復(fù)位控制KAQ1.5頻率可變控制器輸入電壓信號(hào)UfAQW0結(jié)合圖3-3以及表3-2，畫出擴(kuò)展模塊EM235示意簡圖如3-4所示。圖3-5擴(kuò)展模塊EM235示意圖該供水系統(tǒng)包括1個(gè)模擬量和4個(gè)數(shù)字量一共5個(gè)輸入量。SA1是開關(guān)輸入量，送到I0.0是為了選擇工作模式是處于白天還是夜晚；水池水位信號(hào)是由液位變送器檢測到的，然后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)在窗口比較器中設(shè)置不同的上下限值。若比較器輸出為1則意味著達(dá)到了上限值，把這個(gè)信號(hào)傳送到I0.1口；頻率轉(zhuǎn)換器的故障報(bào)警信號(hào)是將I0.2口與輸出端接通；手動(dòng)檢查各燈運(yùn)行是否正常是將SB7連接到I0.3。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有輸出信號(hào)模擬量1個(gè)和數(shù)字量11個(gè)。電機(jī)以工頻或變頻狀態(tài)工作輸出信號(hào)是Q0.0~Q0.5；超過水位上限的報(bào)警輸出信號(hào)是Q1.1；頻率轉(zhuǎn)換器故障的報(bào)警輸出信號(hào)是Q1.2；系統(tǒng)在白天工作則輸出信號(hào)為Q1.3；輸出電鈴報(bào)警信號(hào)的是Q1.4；頻率轉(zhuǎn)換器復(fù)頻輸出信號(hào)的是Q1.5；決定頻率轉(zhuǎn)換器輸出頻率大小的是AQW0輸出的模擬信號(hào)[18]。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析結(jié)合設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)完硬件后，軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該要考慮能達(dá)到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)完整控制要求的目的。在控制系統(tǒng)中，頻率可變控制器通過PLC對(duì)反饋信號(hào)作單閉環(huán)控制。另外，程序應(yīng)將手動(dòng)頻率控制功能考慮在內(nèi)。程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在執(zhí)行程序之前，通過對(duì)各種信號(hào)來判斷當(dāng)前的系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。而對(duì)于各操作任務(wù)的實(shí)現(xiàn)是通過操作變頻器、接觸器和繼電器等設(shè)備來完成的。（1）水泵切換運(yùn)行實(shí)現(xiàn)恒壓效果要保持供水壓力不變，當(dāng)壓力減小時(shí)頻率可變控制器輸出頻率就要增加。而且要根據(jù)實(shí)際情況考慮，及時(shí)判別達(dá)到輸出頻率上限時(shí)是否需啟動(dòng)另一臺(tái)水泵。系統(tǒng)壓力控制程序的設(shè)計(jì)流程如下圖4-1。PLC對(duì)壓力檢測信號(hào)進(jìn)行分析并與設(shè)定值比較。經(jīng)過PID運(yùn)算后使其與設(shè)定值相同，PLC改變頻率參數(shù)從而達(dá)到供水壓力恒定。當(dāng)然中斷程序處理信號(hào)報(bào)警的設(shè)計(jì)也有必要。圖4-1恒壓控制流程圖增減水泵電機(jī)的管理由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備沖擊較大，所以采用軟啟動(dòng)方式。軟啟動(dòng)之前應(yīng)該先將頻率可變控制器復(fù)位。要產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號(hào)，一個(gè)是將正在變頻運(yùn)行的水泵以工頻運(yùn)行的形式啟動(dòng)，另一個(gè)是使在當(dāng)前泵號(hào)加1的水泵以變頻運(yùn)行的形式啟動(dòng)。其次由3.4節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求來看，為了避免同一臺(tái)水泵長時(shí)間工作而導(dǎo)致設(shè)備的損耗或故障，水泵必須交替使用。因此當(dāng)水消耗量少時(shí)，已經(jīng)連續(xù)工作三小時(shí)以上的水泵從頻率可變控制器上切除，并以工頻工作狀態(tài)運(yùn)行，而頻率可變控制器進(jìn)行復(fù)頻操作并啟動(dòng)另一臺(tái)新的水泵投入運(yùn)行。對(duì)于該供水系統(tǒng)的兩種工作模式，在選擇自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，PLC檢測外接信號(hào)，如果要求滿足，則將1號(hào)電機(jī)連接到變頻器以變頻狀態(tài)工作，并由壓力反饋來對(duì)頻率的大小做出調(diào)整[19]。按照2.2.3節(jié)流程要求控制如下圖4-2所示增減水泵。圖4-2電機(jī)增減主程序流程圖系統(tǒng)控制程序中提及的PLC元件如下表4-1所示。表4-1PLC元件及其功能器件地址功能器件地址功能VD100過程變量標(biāo)準(zhǔn)化值T37工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD104壓力給定值T38工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD108PID計(jì)算值M0.0故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112比例系數(shù)KcM0.1水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)VD116采樣時(shí)間TsM0.2水泵變頻啟動(dòng)脈沖(減泵)VD120積分時(shí)間TiM0.3倒泵變頻啟動(dòng)脈沖VD124微分時(shí)間TdM0.4復(fù)位當(dāng)前變頻泵運(yùn)行脈沖VD204變頻運(yùn)行頻率下限值M0.5當(dāng)前泵工頻運(yùn)行啟動(dòng)脈沖VD208變頻運(yùn)行頻率上限值M0.6新泵變頻啟動(dòng)脈沖VD250PID調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元M2.0泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB300變頻工作泵的泵號(hào)M2.1泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VB301工頻運(yùn)行泵的總臺(tái)數(shù)M2.2泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制VD310變頻運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)器M3.0故障信號(hào)匯總T33工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制M3.1水池水位越限邏輯T34工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制T35工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制4.2PLC程序設(shè)計(jì)本文開發(fā)PLC控制程序采用的是STEP7-MicroWIN-V40編程軟件，由西門子公司提供。指令集包含語句表、梯形圖和功能塊圖三種語言[20]。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)下圖4-3為主程序流程，主要有以下幾部分：（1）設(shè)置子程序初始化的調(diào)用。當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，要檢測各部分是否能正常運(yùn)行。由子程序調(diào)用命令實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率轉(zhuǎn)換器上下限值、PID參數(shù)的賦值。初始化后進(jìn)行供水壓力給定值、運(yùn)行水泵數(shù)量的設(shè)定。（2）增加或減少工頻泵投入數(shù)量。PID輸出信號(hào)≥頻率轉(zhuǎn)換上限且水泵工作平穩(wěn)時(shí)，增加或減少水泵數(shù)量要在定時(shí)器設(shè)置的計(jì)時(shí)5分鐘后才執(zhí)行。PID輸出信號(hào)≤頻率轉(zhuǎn)換下限亦然[21]。圖4-3供水系統(tǒng)主程序流程圖（3）確定變頻泵號(hào)；頻率轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖信號(hào)→Q0.1為高電平→閉合KM2常開→頻率轉(zhuǎn)換器運(yùn)行→1號(hào)以變頻狀態(tài)工作→打開KM2常閉→KM1線圈失電→互鎖→KM2常開自鎖。圖4-4是以2#泵為例的變頻運(yùn)行控制流程圖。（4）控制各水泵的工作狀態(tài)；工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)→Q0.0為高電平→KM1線圈得電→閉合KM1常開→1號(hào)以工頻狀態(tài)工作→打開KM1常閉→KM2線圈失電→互鎖→KM1常開自鎖。圖4-5是以2#泵為例的工頻運(yùn)行控制流程圖。（5）進(jìn)行報(bào)警和故障處理。發(fā)生報(bào)警時(shí)，對(duì)應(yīng)水池水位超限和頻率轉(zhuǎn)換器故障的警報(bào)燈亮鈴響。發(fā)生故障后，變頻器頻率被復(fù)位，并且根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置新的水泵投入運(yùn)行。故障結(jié)束信號(hào)在故障完成后發(fā)出[22]。圖4-42#泵變頻/工頻運(yùn)行控制流程圖4.2.2控制系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)（1）SBR_0初始化子程序變頻運(yùn)行的上下限頻率初始化，程序梯形圖如圖4-6所示。圖4-6子程序初始化梯形圖（2）PID控制中斷子程序[23]具體程序梯形圖如圖4-7所示。圖4-7PID控制INT_0梯形圖5監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1組態(tài)軟件簡介（1）圖形界面系統(tǒng)：系統(tǒng)工作運(yùn)行時(shí)圖形畫面；（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：實(shí)時(shí)存儲(chǔ)現(xiàn)場數(shù)據(jù)參數(shù)；5.2監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.2.1組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置如下圖5-1所示，在出現(xiàn)的對(duì)話框中設(shè)置波特率為19200bit/s。圖5-1串行通信接口參數(shù)設(shè)置圖5-2通信協(xié)議的設(shè)置5.2.2新建工程與組態(tài)變量新建恒壓供水系統(tǒng)工程，如圖5-3新建輸入輸出變量。圖5-3定義變量對(duì)話框5.2.3組態(tài)畫面用同樣的方法組態(tài)所有變量如圖5-4。建立新的畫面→繪制動(dòng)態(tài)監(jiān)控的畫面→編寫控制流程程序→建立按鈕、指示燈的組態(tài)。圖5-4數(shù)據(jù)詞典中的變量列表5.2.4監(jiān)控系統(tǒng)界面在本系統(tǒng)中，根據(jù)需要共開發(fā)了5個(gè)界面，系統(tǒng)運(yùn)行主監(jiān)控界面如圖5-5所示。圖5-5恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控界面6結(jié)論本文結(jié)合生活實(shí)際，設(shè)計(jì)的恒壓供水系統(tǒng)是以PLC以及頻率轉(zhuǎn)換器為主要控制系統(tǒng)。A/D轉(zhuǎn)換模塊將壓力傳感器檢測到的數(shù)字信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，通過CPU的PID算法處理的差異，然后由CPU發(fā)出控制指令，泵的數(shù)量和轉(zhuǎn)速隨著頻率轉(zhuǎn)換器的頻率和輸出電壓而變化。要達(dá)到供水能力與用水的平衡，只要通過改變供水量大小即調(diào)整水泵性能曲線，這樣就能使管網(wǎng)壓力恒定。此外，變頻恒壓供水是以PLC為基礎(chǔ)，并與供水泵、壓力表等設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)切換水泵、運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)警的功能。該系統(tǒng)具有簡單可靠、節(jié)能高效、減少污染等等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高層建筑、居民小區(qū)、企業(yè)生產(chǎn)等方面。致謝隨著論文的完成同時(shí)也宣告了我的大學(xué)生涯在這里就接近尾聲了，從最初的選題，開題報(bào)告答辯再到中期提交初稿，這一路走得也很是曲折，但在老師同學(xué)的幫助下順利的完成，真的很感謝大家。首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)，從帶我們選題到答辯，都對(duì)我的論文寫作給予了大量的幫助與指導(dǎo)，無法面對(duì)面交流，我們就通過郵箱，每一次寫作上