基于plc控制的變頻恒壓供水系統節能設計報告
2013-7-8 15:21:46??????點(diǎn)擊：
基于plc控制的變頻恒壓供水系統節能設計報告
隨著(zhù)社會(huì )主義市場(chǎng)經(jīng)濟的發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統可靠性的要求不斷提高；再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設計高性能、高節能、能適應不同領(lǐng)域的恒壓供水系統成為必然的趨勢
本文分析變頻恒壓供水的原理及系統的組成結構，提出不同的控制方案，通過(guò)研究和比較，本論文采用變頻器和PLC實(shí)現恒壓供水和數據傳輸，然后用數字PID對系統中的恒壓控制進(jìn)行設計。最后對系統的軟硬件設計進(jìn)行了詳細的介紹。本論文設計與實(shí)現通過(guò)MCGS進(jìn)行數據傳輸的遠程網(wǎng)絡(luò )巡回監控系統。具體講述了系統的總體設計與軟件的實(shí)現，并對系統采取的可靠性措施進(jìn)行了說(shuō)明。
本文的變頻恒壓供水系統已在國內許多實(shí)際的供水控制系統中得到應用，并取得穩定可靠的運行效果和良好的節能效果。經(jīng)實(shí)踐證明該系統具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節省了人力，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
第1章 緒論
1.1 城市供水系統的要求
眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節水節能己成為時(shí)代特征的現實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國家，長(cháng)期以來(lái)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(dòng)化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì )造成能量的浪費，同時(shí)有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現以前，出現過(guò)許多供水方式。以下就逐一分析。
(1) 一臺恒速泵直接供水系統
這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶(hù)，有的甚至連蓄水池也沒(méi)有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運行。這種系統形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質(zhì)量極差。
(2) 恒速泵+水塔的供水方式
這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶(hù)供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統所需要壓力。水塔注滿(mǎn)后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵處于斷續工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚程的條件下，水泵處于高效能區。這種方式顯然比前種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開(kāi)、停時(shí)間比、開(kāi)/停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大;水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要；而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問(wèn)題。而且在使用過(guò)程中，如果該系統水塔的水位監控裝置損壞的話(huà)，水泵不能進(jìn)行自動(dòng)的開(kāi)、停，這樣水泵的開(kāi)、停，將完全由人操作，這時(shí)將會(huì )出現能量的嚴重浪費和供水質(zhì)量的嚴重下降。
(3)射流泵十水箱的供水方式
這種方式是利用射流泵本身的獨特結構進(jìn)行工作，利用壓差和來(lái)水管粗，出水管細的變徑工藝來(lái)實(shí)現供水，但是由于其技術(shù)和工藝的不完善，加之該方式會(huì )出現有壓無(wú)量(流量)的現象，無(wú)法滿(mǎn)足高層供水的需要。
(4) 恒速泵十高位水箱的供水方式
這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設立水箱。占地面積與設備投資都有所減少，但這對建筑物的造價(jià)與設計都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過(guò)大，所以供水范圍較小。一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開(kāi)、停，將完全由人工操作，使系統的供水質(zhì)量下降能耗增加。
(5)恒速泵十氣壓罐供水方式
這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過(guò)監測罐內壓力來(lái)控制泵的開(kāi)、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。但氣壓罐供水的方式也存在著(zhù)許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者作一比較。
(6)變頻調速供水方式
這種系統的原理是通過(guò)安裝在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定壓力值作比較，再通過(guò)控制器調節變頻器的輸出，無(wú)級調節水泵轉速。使系統水壓無(wú)論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內.變頻調速水泵調速控制方式有三種:水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統最不利點(diǎn)恒壓控制。
①出口恒壓控制
水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統在運行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小，整個(gè)給水系統的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區中應用時(shí)，由于管路能耗較大，在低峰用水時(shí)，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節能效果。
②出口變壓控制
水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設定值不只是一個(gè)。是將每日24小時(shí)按用水曲線(xiàn)分成若干時(shí)段，計算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實(shí)際情況越節能，將全天分得越細越節能，當然控制的實(shí)現也越復雜。
③ 最不利點(diǎn)恒壓控制
最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統最不利點(diǎn)處;使系統在運行過(guò)程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實(shí)際應用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。
變頻調速的方式在節能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運行時(shí)，水泵在額定轉速、額定流量的條件下工作.當系統所需水量下降時(shí)，供水壓力將超出系統所需要的壓力從而造成能量的浪費。同時(shí)水泵是工頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì )造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統用水量下降時(shí)可無(wú)級調節水泵轉速，使供水壓力與系統所需水壓大致相等，這樣就節省了許多電能，同時(shí)變頻器對水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流小，啟動(dòng)能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗多少鋼材的問(wèn)題。同時(shí)由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調速式中的調速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見(jiàn)變頻調速供水方式比氣壓罐供水方式將節省大量占地面積。在運行效果上，氣壓罐方式與調速式相比也存在著(zhù)一定差距。氣壓罐方式的運行不穩定，突出表現在它的頻繁啟動(dòng)。由于氣壓罐的調節容量?jì)H占其總容積的1/3-1/6，因而每個(gè)罐的調節能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過(guò)于頻繁，壓力不穩，加之硬啟動(dòng)，電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快。變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊。在小區供水中，而且由于調速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶(hù)的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。
由此可見(jiàn)，變頻調速式供水系統具有節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的迅速發(fā)展，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強，人民對供水的質(zhì)量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等應用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統的新要求。由于城市供水量不斷加大，對城市管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監測提出了更高的要求。
1.2 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義
泵站擔負著(zhù)工農業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運行中需大量消耗能量，提高泵站效率:降低能耗，對國民經(jīng)濟有重大意義。我國泵站的特點(diǎn)是數量大、范圍廣、類(lèi)型多、發(fā)展速度快，在工程規模上也有一定水平，但由于設計中忽視動(dòng)能經(jīng)濟觀(guān)點(diǎn)以及機電產(chǎn)品類(lèi)型和質(zhì)量上存在的一些問(wèn)題等等原因，致使在技術(shù)水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、風(fēng)機負載上，城鄉居民用水設備所消耗的電量在這類(lèi)負載中占了相當的比例。這一方面是由于我國居民多，用水量大，造成用電量大:另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控制方式不夠科學(xué)合理。造成不必要的能量浪費。因此，研究提水系統的能量模型，找出能夠節能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保障供水的一個(gè)很有意義的工作。
以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現代控制、遠程監控技術(shù)于一體。采用該系統進(jìn)行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實(shí)現供水系統的集中管理與監控;同時(shí)系統具有良好節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，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實(shí)意義。
1.3 國內外研究概況
變頻恒壓供水是在變頻調速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動(dòng)控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿(mǎn)足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國外的恒壓供水工程在設計時(shí)都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺變頻器拖動(dòng)多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動(dòng)產(chǎn)品全球五大核心供應商之一)后，隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著(zhù)的節能效果被大家發(fā)現和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠(chǎng)家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設置指令代碼實(shí)現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機(泵)的供水系統。這類(lèi)設備雖然說(shuō)是微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動(dòng)態(tài)性能和穩定性不高，與別的監控系統(如BA系統)和組態(tài)軟件難以實(shí)現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì )受到限制。
目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實(shí)現;有的采用單片機及相應的軟件予以實(shí)現。但在系統的動(dòng)態(tài)性能、穩定性能、抗干擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標來(lái)說(shuō)，還遠遠沒(méi)能達到所有用戶(hù)的要求。原深圳華為(現己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團〔森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器(2.2kw-30kw)，無(wú)需外接PLC和PID調節器，可完成最多四臺水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)(月麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現七臺水泵機組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調節與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內部實(shí)現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。
可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場(chǎng)合，結合現代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻但壓供水系統的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。
采用變頻調節以后，系統實(shí)現了軟起動(dòng)，電機起動(dòng)電流從零逐漸增至額定電流，起動(dòng)時(shí)間相應延長(cháng)，對電網(wǎng)沒(méi)有較大的沖擊，減輕了起動(dòng)機械轉矩對于電機的機械損傷，有效的延長(cháng)了電機的使用壽命。這種調控方式以穩定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來(lái)水管)進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內變化。因此這種調控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài).
變頻調速是優(yōu)于以往任何一種調速方式(如調壓調速、變極調速、串級調速等)，是當今國際上一項效益最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調速技術(shù).它采用微機控制技術(shù);電力電子技術(shù)和電機傳動(dòng)技術(shù)實(shí)現了工業(yè)交流電動(dòng)機的無(wú)級調速，具有高效率、寬范圍和高精度等特點(diǎn)。以變頻器為核心結合PLC組成的控制系統具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點(diǎn)。
1.4 設計任務(wù)及要求
本系統以一個(gè)供水系統作為被控對象，研究基于MCGS組態(tài)軟件的供水監控系統設計，使系統獲得較好的性能指標。主要設計內容為：了解供水系統的運行工藝情況，設計恒壓供水控制系統的硬件電路；研究恒壓變頻供水的控制方法，開(kāi)發(fā)基于MCGS組態(tài)軟件的監控界面，完成系統監控調試，實(shí)現對系統的高性能控制。
第2章 恒壓供水系統
2.1變頻恒壓供水系統
隨著(zhù)變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統以其環(huán)保、節能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應用于多層住宅小區及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調速系統可以實(shí)現水泵電機無(wú)級調速，依據用水量的變化自動(dòng)調節系統的運行參數，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，是當今最先進(jìn)、合理的節能型供水系統。在實(shí)際應用中如何充分利用專(zhuān)用變頻器內置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著(zhù)重要意義。變頻恒壓供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統的穩定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著(zhù)的節能效果。目前變頻恒壓供水系統正向著(zhù)高可靠性、全數字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標準化，是未來(lái)供水設備適應城鎮建設中成片開(kāi)發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò )供水調度和整體規劃要求的必然趨勢。
變頻恒壓供水系統能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統具有以下特點(diǎn):
(1)供水系統的控制對象是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。
(2)用戶(hù)管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調速恒壓供水系統是一個(gè)線(xiàn)性系統。
(3)變頻調速恒壓供水系統要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統，而不同的供水系統管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著(zhù)較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。
(4)在變頻調速恒壓供水系統中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統的模型參數，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為，變頻調速恒壓供水系統的控制對象是時(shí)時(shí)變化的。
(5)當出現意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統能根據泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。
(6)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數據通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關(guān)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監控以及報表打印等功能。
(7)用變頻器進(jìn)行調速，用調節泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節能效果顯著(zhù)，對每臺水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機額定電流，減少了啟動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對設備的大慣量的轉速沖擊，延長(cháng)了設備的使用壽命。
2.2 課題研究的對象
此次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統。這棟樓有10層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶(hù)將無(wú)法正常用水甚至出現無(wú)水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。自來(lái)水廠(chǎng)送來(lái)的水先儲存的水池中再通過(guò)水泵加壓送給用戶(hù)。通過(guò)水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶(hù)。
2.3 變頻恒壓供水控制方式的選擇
目前國內變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有：
1．邏輯電子電路控制方式
這類(lèi)控制電路難以實(shí)現水泵機組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調節，往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。
2．單片微機電路控制方式
這類(lèi)控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都不太好。
3．帶PID回路調節器或可編程序控制器(PLC)的控制方式
該方式變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源。實(shí)現電機的無(wú)級調速，從而使管網(wǎng)水壓連續變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設定單元為系統提供滿(mǎn)足用戶(hù)需要的水壓期望值。壓力設定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內部PID控制程序的計算，輸出給變頻器一個(gè)轉速控制信號。還有一種辦法是將壓力設定信號和壓力反饋信號送入PID回路調節器，由PID回路調節器在調節器內部進(jìn)行運算后，輸入給變頻器一個(gè)轉速調節信號。
由于變頻器的轉速控制信號是由可編程控制器或PID回路調節器給出的，所以對可編程控制器來(lái)講。既要有模擬量輸入接口，又要有模擬量輸出接口。由于帶模擬量輸入，輸出接口的可編程控制器價(jià)格很高，這無(wú)形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入，數字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數字量輸出口端另接一塊PWM調制板，將可編程控制器輸出的數字量信號轉變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線(xiàn)和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個(gè)PID回路調節器，其成本也和帶模擬量輸入，輸出的可編程控制器差不多。所以，在變頻調速恒壓給水控制設備中，PID控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。
4．新型變頻調速供水設備
針對傳統的變頻調速供水設備的不足之處，國內外不少生產(chǎn)廠(chǎng)家近年來(lái)紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的GIIS／PIIS系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將PID調節器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內，形成了帶有各種應用的新型變頻器。由于PID運算在變頻器內部，這就省去了對可編程控制器存貯容量的要求和對PID算法的編程，而且PID參數的在線(xiàn)調試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內部自帶的PID調節器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調節十分平滑，穩定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號值的準確、不失值，可對該信號設置濾波時(shí)間常數，同時(shí)還可對反饋信號進(jìn)行換算，使系統的調試非常簡(jiǎn)單、方便。
整個(gè)系統由三臺水泵，一臺變頻調速器，一臺PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調節水量之用，三臺泵協(xié)調工作以滿(mǎn)足供水需要；變頻供水系統中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號)或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系統的核心，通過(guò)改變電機的頻率實(shí)現電機的無(wú)極調速、無(wú)波動(dòng)穩壓的效果和各項功能。
從原理框圖，我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構、信號檢測、控制系統、人機界面、以及報警裝置等部分組成。
(1)執行機構
執行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)，圖2.3中的3個(gè)水泵分為二種類(lèi)型:
調速泵:是由變頻調速器控制、可以進(jìn)行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。
恒速泵:水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補充。
(2)信號檢測
在系統控制過(guò)程中，需要檢測的信號包括自來(lái)水出水水壓信號和報警信號:
①水壓信號:它反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。
②報警信號:它反映系統是否正常運行，水泵電機是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號為開(kāi)關(guān)量信號。
(3)控制系統
供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統)、變頻器和電控設備三個(gè)部分。
①供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的工況、壓力、報警信號進(jìn)行采集，對來(lái)自人機接口和通訊接口的數據信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過(guò)變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵)進(jìn)行控制。
②變頻器:它是對水泵進(jìn)行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。
③電控設備:它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。
(4)人機界面
人機界面是人與機器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機界面，使用者可以更改設定壓力，修改一些系統設定以滿(mǎn)足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機界面上得知系統的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統的運行過(guò)程進(jìn)行監示，對報警進(jìn)行顯示。
(5)通訊接口
通訊接口是本系統的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監控系統進(jìn)行數據交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到本系統中來(lái)，例如可以對系統進(jìn)行遠程的診斷和維護等
(6)報警裝置
作為一個(gè)控制系統，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統安全、可靠、平穩的運行，防止因電機過(guò)載、變頻器報警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等造成的故障，因此系統必須要對各種報警量進(jìn)行監測，由PLC判斷報警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失
2.4.2 工作原理
合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統投入運行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，系統進(jìn)入全自動(dòng)運行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動(dòng)變頻器。根據壓力設定值(根據管網(wǎng)壓力要求設定)與壓力實(shí)際值(來(lái)自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調節，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時(shí)間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實(shí)現恒壓控制。同時(shí)變頻器在運行頻率到達上限，會(huì )將頻率到達信號送給PLC，PLC則根據管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺泵(或第3臺泵)。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì )將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動(dòng)下1臺泵變頻運行。此時(shí)PID會(huì )繼續通過(guò)由遠傳壓力表送來(lái)的檢測信號進(jìn)行分析、計算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。
增泵工作過(guò)程：假定增泵順序為l、2、3泵。開(kāi)始時(shí)，1泵電機在PLC控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節。當供水壓力小于壓力預置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩定運行后，如果供水壓力仍沒(méi)達到預置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，1泵電機切換到工頻運行，同時(shí)變頻器與2泵電機連接， 控制2泵投入調速運行。如果還沒(méi)到達設定值，則繼續按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。
減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。當供水壓力大于預置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩定運行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續減泵工作過(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當最后一臺正在運行的主泵處于低速運行時(shí)，如果供水壓力仍大于設定值，則停機并啟動(dòng)輔泵投入調速運行，從而達到節能效果。
2.4.3 變頻恒壓供水系統中加減水泵的條件分析
在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來(lái)滿(mǎn)足供水要求，達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泉來(lái)減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，刁能使系統提供穩定可靠的供水壓力，同時(shí)使機組不過(guò)于頻繁的切換。
盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內進(jìn)行調節，但當它用在供水系統中，其頻率調節的范圍是有限的，不可能無(wú)限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50Hz成為頻率調節的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過(guò)水泵機組切換，增加運行機組數量來(lái)實(shí)現。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0Hz。其實(shí)，在實(shí)際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當水泵機組運行，電機帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì )反推水泵，給帶動(dòng)水泵運行的電機一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)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，當電機運行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì )隨著(zhù)電機頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應用中就是電機運行的下限頻率。這個(gè)頻率遠大于0Hz,具體數值與水泵特性及系統所使用的場(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調節的下限頻率。
在實(shí)際應用中，應當在確實(shí)需要機組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機組的切換。所謂延時(shí)判別，是指系統僅滿(mǎn)足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說(shuō)明判別條件的滿(mǎn)足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。
第3章 器件的選型及介紹
3.1 可編程控制器
3.1.1簡(jiǎn)介PLC
可編程控制器是60年代末在繼電器系統上發(fā)展起來(lái)的，當時(shí)稱(chēng)作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統有很大的關(guān)系。繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開(kāi)關(guān)，但在復雜的控制系統中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發(fā)生變化的場(chǎng)合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過(guò)程、面向用戶(hù)的簡(jiǎn)單編程語(yǔ)句，適應工業(yè)環(huán)境，是簡(jiǎn)單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當代工業(yè)自動(dòng)化的主要支柱之一?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅動(dòng)能力，但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，其靈活標準的配置能夠適應工業(yè)上的各種控制。在實(shí)際應用中，其硬件可根據實(shí)際需要選用配置，其軟件則需要根據要求進(jìn)行設計。
可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運算。隨著(zhù)微電子技術(shù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化控制愈來(lái)愈高的需求，PLC無(wú)論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F在的PLC已不只是開(kāi)關(guān)量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過(guò)程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協(xié)會(huì )(NEMA)將其正式命名為可編程控制器(Programmable Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng)PC，但是為了和個(gè)人計算機(Persona1 Computer)的簡(jiǎn)稱(chēng)PC相區別，人們常常把可編程控制器仍簡(jiǎn)稱(chēng)為PLC。
事實(shí)上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無(wú)法向操作者顯示動(dòng)態(tài)的設備狀態(tài)參數，無(wú)法進(jìn)行大批量數據的存貯與轉化，尤其是當系統工藝改變時(shí)，無(wú)法方便、快速地改變相關(guān)參數、配方。因此，在現今的稍微復雜一些的控制系統中，PLC通常與工業(yè)控制計算機配合使用，實(shí)現完整的控制功能。
3.1.2 PLC的特點(diǎn)
現代可編程控制器不僅能實(shí)現對開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，還具有數學(xué)運算、數學(xué)處理、運動(dòng)控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡(luò )等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門(mén)，其應用已擴展到樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農業(yè)等領(lǐng)域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
1）編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)
2）功能強，性能價(jià)格比高
3）硬件配套齊全，用戶(hù)使用方便，適應性強
4）無(wú)觸點(diǎn)免配線(xiàn)，可靠性高，抗干擾能力強
5）系統的設計、安裝、調試工作量少
6）維修工作量小，維修方便
7）體積小，能耗低。
PLC是在系統軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過(guò)程就是程序的執行過(guò)程，它分為輸入采樣、程序執行和輸出刷新三個(gè)階段，如圖3.2所示。
PLC在I/O處理方面必須遵守的規則如下：
①輸入映像寄存器的數據，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)；
②程序如何執行，取決于用戶(hù)所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)；
③輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執行結果決定。
④輸出鎖存器中的數據，由上一個(gè)刷新時(shí)間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；
⑤輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。
3.1.4 PLC的選型
水泵M1、M2，M3可變頻運行，也可工頻運行，需PLC的6個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器的運行與關(guān)斷由PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機正轉需1個(gè)輸出信號控制，報警器的控制需要1個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數量一共9個(gè)?？刂破饎?dòng)和停止需要2個(gè)輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC2個(gè)輸入點(diǎn)，系統自動(dòng)/手動(dòng)起動(dòng)需1輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機的工頻/變頻運行需6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統停止運行需1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測電機是否過(guò)載需3個(gè)輸入點(diǎn)，共需15個(gè)輸入點(diǎn)。系統所需的輸入／輸出點(diǎn)數量共為24個(gè)點(diǎn)。本系統選用FXos-30MR-D型PLC。
3.2.1變頻器的構成
通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動(dòng)機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據外部的運轉指令進(jìn)行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場(chǎng)合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統檢測出來(lái)的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過(guò)電壓、過(guò)電流引起的損失外，還應保護異步電動(dòng)機及傳動(dòng)系統等
1.主電路
給異步電動(dòng)機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱(chēng)為主電路。圖3.5所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動(dòng)機需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加“制動(dòng)回路”。
整流器
最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.5所示，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M晶體管交流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運轉。
平波回路
在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電壓吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。
逆變器
同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據PWM控制信號使6個(gè)開(kāi)關(guān)器件導通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。
④制動(dòng)回路
異步電動(dòng)機在再生制動(dòng)區域使用時(shí)（轉差率為負），再生能量?jì)Υ嬗谄讲ɑ芈冯娙萜髦?，使直流電壓升高。一般說(shuō)來(lái)，由機械系統（含電動(dòng)機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動(dòng)回路（開(kāi)關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。
2.控制電路
給異步電動(dòng)機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱(chēng)為控制電路。如圖3.4所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動(dòng)機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機的“保護電路”。
在圖3.4點(diǎn)劃線(xiàn)內，僅以控制電路A部分構成控制電路時(shí)，無(wú)速度檢測電路，為開(kāi)環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動(dòng)機的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。
控制電路主要包括：
①運算電路
將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進(jìn)行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。
電壓/電流檢測電路
與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。
驅動(dòng)電路
為驅動(dòng)主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關(guān)斷。
速度檢測電路
以裝在異步電動(dòng)機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號
送入運算回路，根據指令和運算可使電動(dòng)機按指令速度運轉。
保護電路
檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過(guò)載或過(guò)壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。
保護回路主要包括：
（1）逆變器保護
1）瞬時(shí)過(guò)電壓保護。由于逆變器負載側短路等，流過(guò)逆變器器件的電流達到異常值（超過(guò)容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運轉，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉。
2）過(guò)載保護。逆變器輸出電流超過(guò)額定值，且持續流通達規定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線(xiàn)路等損壞要停止運轉。恰當的保護需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過(guò)負載是由于負載的GD2（慣性）過(guò)大或因負載過(guò)大使電動(dòng)機堵轉而產(chǎn)生的。
3）再生過(guò)電壓保護。采用逆變器使電動(dòng)機快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過(guò)容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉或停止快速減速的辦法，防止過(guò)電壓。
4）瞬時(shí)停電保護。對于數毫秒以?xún)鹊乃矔r(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在10ms以上時(shí)，通常會(huì )使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉。
5）接地過(guò)電流保護。逆變器負載側接地時(shí)，為了保護逆變器，有時(shí)要有接地過(guò)電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉設漏電斷路器。
6）冷卻風(fēng)機異常。有冷卻風(fēng)機的裝置，但風(fēng)機異常時(shí)裝置內溫度將上升，因此采用風(fēng)機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。
（2）異步電動(dòng)機的保護
1）過(guò)載保護。過(guò)載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過(guò)熱時(shí)，在異步電動(dòng)機內埋入溫度傳感器，或者利用轉在逆變器內的電子熱保護來(lái)檢出過(guò)熱。動(dòng)作頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機負載、增加電動(dòng)機及逆變器容量等。
2）超頻（超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機的速度超過(guò)規定值時(shí)，停止逆變器運轉。
（3）其他保護
1）防止失速過(guò)電流。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機跟蹤遲緩，則過(guò)電流保護電路動(dòng)作，運轉就不能繼續進(jìn)行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過(guò)電流，也進(jìn)行同樣的控制。
2）防止失速再生過(guò)電壓。減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過(guò)電壓保護電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過(guò)電壓。
3.2.2 變頻器的特點(diǎn)
變頻器具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、短路、失速等自動(dòng)保護功能。能實(shí)現電機軟起動(dòng)，減小電氣和機械沖擊噪音，延長(cháng)設備使用壽命。
變頻恒壓供水系統主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
2．占地面積小，投人少，效率高：設備結構緊湊占地面積少維護方便維護費用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝
3．配置靈活，功能齊全，自動(dòng)化程度高。
4．由于變頻恒壓調速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，大大降低水質(zhì)污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲(chóng)必須定期清洗改用變頻調速恒壓供水設備后只需一個(gè)低位水箱原來(lái)也有將水質(zhì)污染降到最低限度。
5．通過(guò)通信控制，可以實(shí)現無(wú)人值守，節省了人力物力
3.2.2 變頻器的選型
3.2.3 變頻器的接線(xiàn)
管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機的正轉。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過(guò)OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。
3.3 PID調節器
僅用P動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的PI控制。用PI控制時(shí)，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過(guò)強時(shí)，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統可以單獨使用P動(dòng)作控制。
對于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨D動(dòng)作還要大的操作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)，P動(dòng)作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使P動(dòng)作的振蕩衰減和系統穩定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負載。
利用I動(dòng)作消除偏差作用和用D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結合P動(dòng)作就構成了PID控制，本系統就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無(wú)偏差、精度高和系統穩定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現響應需要一定時(shí)間的負載系統(即實(shí)時(shí)性要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統一般都是此類(lèi)系統，本系統也比較適合PID調節)效果比較好
通過(guò)對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設定值)進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過(guò)程量的控制。在恒壓供水中常見(jiàn)的PID控制器的控制形式主要有兩種:
(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線(xiàn)路的連接和P、I、D參數及日標值的設定。
(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機)上做PID控制器
此次使用硬件型控制形式。
根據設計的要求，本系統的PID調節器內置于變頻器中。
3.4壓力傳感器的接線(xiàn)圖
壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應原理實(shí)現壓力測量的力－電轉換。傳感器由敏感芯體和信號調理電路組成，當壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體內硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補償、非線(xiàn)性補償，使傳感器的電性能滿(mǎn)足技術(shù)指標的要求。
該傳感器的量程為0～2.5MPa，工作溫度為5℃～60 ℃，供電電源為28±3V（DC）。
3.5原件表
水泵：M1、M2選用40-160(I)A型，M3選用40-160(I)型，參數見(jiàn)表3.1所示。
熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機的過(guò)載保護熱繼電器FR，FR1 FR2可選用規格其型號為T(mén)K-E02T-C，額定電流5－8A，FR3可選用規格其型號為T(mén)K-E02U-C，額定電流為6－9 A
熔斷器的選擇：在控制回路中熔斷器FU選用RT18系列。
接觸器的選擇：對于接觸器KM選擇的是規格SC-E03-C,功率3Kw
按鈕SB的選擇：PLC各輸入點(diǎn)的回路的額定電壓直流24V，各輸入點(diǎn)的回路的額定電流均小于40mA，按鈕均只需具有1對常開(kāi)觸點(diǎn)，按鈕均選用LAY3—11型，其主要技術(shù)參數為：UN=24VDC，IN=0.3A，含1對常開(kāi)和1對常閉觸點(diǎn)。
第4章 PLC控制及編程
4.1 PLC控制
PLC在系統中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻—變頻的切換和水泵工作數量的調整。工作流程
系統起動(dòng)之后，檢測是自動(dòng)運行模式還是手動(dòng)運行模式。如果是手動(dòng)運行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據自己的需要操作相應的按鈕，系統根據按鈕執行相應操作。如果是自動(dòng)運行模式，則系統根據程序及相關(guān)的輸入信號執行相應的操作。
手動(dòng)模式主要是解決系統出錯或器件出問(wèn)題
在自動(dòng)運行模式中，如果PLC接到頻率上限信號，則執行增泵程序，增加水泵的工作數量。如果PLC接到頻率下限信號，則執行減泵程序，減少水泵的工作數量。沒(méi)接到信號就保持現有的運行狀態(tài)。
4.1.1 手動(dòng)運行
當按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式。按下SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當系統壓力不夠需要增加泵時(shí)，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時(shí)切斷電機變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機工頻運行,再起動(dòng)下一臺電機。為了變頻向工頻切換時(shí)保護變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當壓力過(guò)大時(shí)，可以手動(dòng)按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運行的電機，同時(shí)啟動(dòng)電機變頻運行?？筛鶕枰?，停按不同電機對應的啟停按鈕，可以依次實(shí)現手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺水泵.該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用.
4.1.2 自動(dòng)運行
由PLC分別控制某臺電機工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制.
升壓控制：系統工作時(shí)，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調速狀態(tài)和停止狀態(tài).系統開(kāi)始工作時(shí)，供水管道內水壓力為零，在控制系統作用下，變頻器開(kāi)始運行，第一臺水泵M1，啟動(dòng)且轉速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉速才穩定到某一定值，這期間M1處在調速運行狀態(tài).當用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)調節水泵按設定速率加速到另一個(gè)穩定轉速;反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設定的速率減速到新的穩定轉速.當用水量繼續增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運行;同時(shí)，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統恢復對水壓的閉環(huán)調節，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到工頻時(shí)，將繼續發(fā)生如上轉換，并有新的水泵投人并聯(lián)運行.當最后一臺水泵M3投人運行，變頻器輸出頻率達到工頻，壓力仍未達到設定值時(shí)，控制系統就會(huì )發(fā)出故障報警.
降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設定值，系統將工頻運行時(shí)間最長(cháng)的一臺水泵關(guān)掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節，使壓力重新達到設定值.當用水量繼續下降，每當減速運行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續發(fā)生如上轉換，直到剩下最后一臺變頻泵運行為止。
Y0接KM0控制M1的變頻運行，Y1接KM1控制M1的工頻運行；Y2接KM2控制M2的變頻運行，Y3接KM3控制M2的工頻運行；Y4接KM4控制M3的變頻運行，Y5接KM5控制M3的工頻運行
系統起動(dòng)時(shí)，KM1閉合，#1泵以變頻方式運行。 當變頻器的運行頻率超出一個(gè)上限信號后，PLC通過(guò)這個(gè)上限信號后將1#水泵有變頻運行轉為工頻運行，KM1斷開(kāi)KM0吸合，同時(shí)KM3吸合變頻起動(dòng)第2#水泵。
如果再次接收到變頻器上限信號，則KM3斷開(kāi)KM2吸合，第2#水泵由變頻轉為工頻運行，3#水泵變頻起動(dòng)。
如果變頻器頻率偏低，即壓力過(guò)高，輸出的下限信號使PLC關(guān)閉KM5、KM2，開(kāi)啟KM3，2#水泵變頻起動(dòng)。
再次接到下限信號就關(guān)閉KM3、KM0，吸合KM1，只剩1#水泵變頻運行。
為了防止出現某臺電動(dòng)機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同是控制M1電動(dòng)機的兩個(gè)接觸器KM1、KM0線(xiàn)圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。
第5章 MCGS組態(tài)軟件
5.1 MCGS組態(tài)軟件
MCGS(Monitor And Control Generated System,通用監控系統)是一套全中文工控組態(tài)軟件,用于快速構造和生成計算機監控系統的組態(tài)軟件,它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺上運行,可以以Microsoft的 Windows 95,98,Me,Nt或windows 2000 為操作系統.通過(guò)對現場(chǎng)數據的采集處理,以動(dòng)畫(huà)顯示,報警處理,流程控制和報表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案,在自動(dòng)有著(zhù)廣泛的應化領(lǐng)域用.它功能齊全，便于方案設計。MCGS為解決工程監控問(wèn)題提供了豐富多樣的手段，從設備驅動(dòng)（數據采集）到數據處理、報警處理、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、報表輸出、曲線(xiàn)顯示等各個(gè)環(huán)節，均有豐富的功能組件能快速完成多數簡(jiǎn)單工程項目的監控程序設計和運行操作。用戶(hù)可避開(kāi)復雜的計算機軟硬件問(wèn)題，集中精力解決工程本身的問(wèn)題，，組態(tài)配置出高性能、高可靠性、高度專(zhuān)業(yè)化的上位機監控系統。具有功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護性強的突出特點(diǎn)。
5.1.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結構
MCGS組態(tài)軟件（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MCGS）由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運行環(huán)境”兩個(gè)系統組成。兩部分互相獨立，又緊密相關(guān)
圖5.1 MCGS組態(tài)軟件的整體結構
MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶(hù)應用系統的工作環(huán)境，由可執行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶(hù)在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫(huà)設計、設備連接、編寫(xiě)控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg的工程文件，又稱(chēng)為組態(tài)結果數據庫，其與MCGS 運行環(huán)境一起，構成了用戶(hù)應用系統，統稱(chēng)為“工程” 。
5.1.2 MCGS工程的五大部分
圖5.2 MCGS的工程組成
主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個(gè)設備窗口和多個(gè)用戶(hù)窗口，負責調度和管理這些窗口的打開(kāi)或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱(chēng)，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設定動(dòng)畫(huà)刷新周期，指定數據庫存盤(pán)文件名稱(chēng)及存盤(pán)時(shí)間等。
設備窗口：是連接和驅動(dòng)外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內配置數據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動(dòng)程序，定義連接與驅動(dòng)設備用的數據變量。
用戶(hù)窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面、報警輸出、數據與曲線(xiàn)圖表等。
實(shí)時(shí)數據庫：是工程各個(gè)部分的數據交換與處理中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類(lèi)型和名稱(chēng)的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫(huà)連接及設備驅動(dòng)的對象。
運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫(xiě)控制程序（if…then腳本程序），選用各種功能構件，如：數據提取、歷史曲線(xiàn)、定時(shí)器、配方操作、多媒體輸出等。
5.2 建立界面
5.2.1 建立窗口
[1]在“用戶(hù)窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0” 。
[2]選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進(jìn)入“用戶(hù)窗口屬性設置”。
[3]將窗口名稱(chēng)改為：變頻恒壓供水系統；窗口標題改為：變頻恒壓供水系統；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。
[4]在“用戶(hù)窗口”中，選中“變頻恒壓供水系統”，點(diǎn)擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動(dòng)窗口”選項，將該窗口設置為運行時(shí)自動(dòng)加載的窗口。
結束語(yǔ)
本論文研究的是變頻恒壓供水系統。恒壓供水系統以PLC和變頻器為核心進(jìn)行設計，借助于PLC強大而靈活的控制功能和內置PID的變頻器優(yōu)良的變頻調速性能，實(shí)現了恒壓供水的控制。該系統采用PCL控制變頻器進(jìn)行PID調節，按實(shí)際需要隨意設定壓力給定值，根據壓差調整水泵的工作情況，實(shí)現恒壓供水，使給水泵始終在高效率下運行，在啟動(dòng)時(shí)壓力波動(dòng)小，可控制在給定值的5%范圍內。
恒壓供水在日常生活中非常重要，基于PLC和變頻器技術(shù)設計的生活恒壓供水控制系統可靠性高、效率高、節能效果顯著(zhù)、動(dòng)態(tài)響應速度快。因實(shí)現了恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，節省了人力，提高了供水質(zhì)量，減輕了勞動(dòng)強度，可實(shí)現無(wú)人值班，節約管理費用。對整個(gè)供水過(guò)程來(lái)說(shuō)，系統的可擴展性好，管理人員可根據每個(gè)季節的用水情況，選擇不同的壓力設定范圍，不但節約了用水，而且節約了電能，達到了更優(yōu)的節能方式，實(shí)現供水的最優(yōu)化控制和穩定性控制。
目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場(chǎng)合，結合現代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統的電磁兼容性(EMC)的變頻但壓供水系統的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐中。
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