電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào)

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展、城市化步伐的不斷加快，人民的生活水

3、平得到不斷的提高，城市中小區(qū)的建設(shè)也發(fā)展的十分迅速，而市民最關(guān)心的小區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為了一項(xiàng)十分艱巨而又現(xiàn)實(shí)的任務(wù)。在小區(qū)設(shè)施建設(shè)中，小區(qū)的供水系統(tǒng)直接影響到了小區(qū)用戶的正常生活和工作。小區(qū)物業(yè)能否為用戶提供一個(gè)安全可靠又經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的供水環(huán)境，直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)的管理能力。</p><p>　　比較傳統(tǒng)的小區(qū)供水系統(tǒng)有：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水、液力藕合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式、單片機(jī)變

4、頻調(diào)速供水系統(tǒng)等方式。傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源、效率低、可靠性差、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。</p><p>　　針對(duì)目前小區(qū)供水系統(tǒng)存在的不足與缺陷，設(shè)計(jì)了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)故障報(bào)警。這種系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，具有安全可

5、靠、高效、節(jié)能的顯著特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單操作的同時(shí)，節(jié)約了人力，提高了電能的有效利用，也為小區(qū)供水的衛(wèi)生安全提供了可靠性。</p><p>　　論文分析了變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中能做到有效節(jié)能的機(jī)理，分析了變頻器內(nèi)置PID模塊參數(shù)的設(shè)置和遠(yuǎn)傳壓力表實(shí)現(xiàn)壓力反饋的理論根據(jù)，給出了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。</p><p>　　論文采用3臺(tái)主泵和1臺(tái)輔助泵并聯(lián)供水，結(jié)合變頻器與內(nèi)置PID模塊，

6、利用遠(yuǎn)傳壓力表對(duì)水壓的反饋，和人機(jī)界面的結(jié)合為系統(tǒng)提供檢測(cè)和故障報(bào)警的方式，在水泵工頻和變頻分級(jí)調(diào)節(jié)的情況下，完成恒壓變頻供水，并實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC；變頻；報(bào)警；恒壓供水</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Along with development of the soci

7、al economic in our country, accelerating the pace of urbanization. People's standard of living has been continuously improved, Construction of city development is very quickly. People care about most community infras

8、tructure has become a very difficult and realistic task. In infrastructure construction, the water supply system directly affected the user's normal life and work. Residential property can provide users with a safe r

9、eliable and economic stability sup</p><p>　　The traditional means of water supply such as Constant speed pump pressurized water supply, Water towers high water tank water supply, Pressure tank water supply,

10、Hydraulic coupling device and battery sliding clutch speed water supply patterns, Single-chip microcomputer frequency control water supply and so on. The traditional water supply patterns common varying degrees of existe

11、nce waste hydraulics, electric power resource; Low efficiency, poor reliability, automation degree not higher shortco</p><p>　　Aiming at the shortcomings of the water-supply system with defects, Designed a s

12、et of PLC, frequency converter, far Easton pressure gauge， many sets of pump unit，computer, communication module and other major equipment structure of automatic frequency constant pressure water supply and remote monito

13、ring system, And through the communication module implements for water supply system fault alarm. This system, compared with the traditional water supply system, has the safe and reliable, efficient, </p><p>

14、;　　This paper analyzes the frequency conversion in constant pressure water supply system way can be useful energy-saving mechanism, analyzes the inverter built-in PID module parameter setting and remote transmission gaug

15、es realize the theoretical base of pressure feedback, and gives the design principle of remote monitoring system.</p><p>　　Using three sets primary pump and one auxiliary pump water supply, combining the inv

16、erter and parallel, using the built-in PID module of hydraulic pressure gauges far Easton of feedback, and the combination of man-machine interface for the system to provide testing and fault alarm way, in the pump power

17、 frequency and frequency conversion grading adjustment, under the situation of constant pressure water supply complete frequency, and realize effective energy saving. </p><p>　　Keywords: PLC; Frequency conve

18、rsion; alarm; Constant pressure water supply </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第1章 概述1</b></p><p>　　1.1課題研究的背景和意義1</p><p>　　1.2PLC的定義及其應(yīng)用1</

19、p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外變頻器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r2</p><p>　　1.4本文的主要內(nèi)容2</p><p>　　第2章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案確定4</p><p>　　2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理分析4</p><p>　　2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論思路分析5</p>&l

20、t;p>　　2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案確定6</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件選擇和設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1恒壓變頻供水系統(tǒng)硬件的選擇7</p><p>　　3.1.1水泵機(jī)組的選擇7</p><p>　　3.1.2 PLC及其擴(kuò)展模塊的選擇7</p><p>　　3.1.3變頻器

21、的選擇8</p><p>　　3.1.4壓力傳感器和壓力變送器的選擇8</p><p>　　3.2 系統(tǒng)電氣部分主電路的分析和設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.3 PLC可編程邏輯控制器的I/O端子分配11</p><p>　　3.4變頻器的選擇及接線12</p><p>　　第4章 變頻恒壓供水系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

22、14</p><p>　　4.1水泵運(yùn)行狀態(tài)及過(guò)程分析14</p><p>　　4.2系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)方法15</p><p>　　4.3控制程序的設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.4 PID控制及其控制算法17</p><p>　　第5章 變頻恒壓供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)20</p>

23、<p>　　5.1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成20</p><p>　　5.2 PLC通信程序的設(shè)計(jì)21</p><p>　　5.3計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)21</p><p><b>　　小 結(jié)23</b></p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。</p><p><b&g

24、t;　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p>　　附錄1系統(tǒng)梯形圖25</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p>　　1.1課題研究的背景和意義</p><p>　　水是我們生產(chǎn)、生活不可或缺的組成部分，在提倡低碳生活、節(jié)約環(huán)保的今天，在人均水資源相對(duì)困乏的國(guó)家，如何高效的利用水資

25、源，成為比較突出的問(wèn)題。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，各個(gè)大中小城市小區(qū)建設(shè)速度的不斷加快，對(duì)小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求，而我國(guó)小區(qū)供水方面技術(shù)相對(duì)落后，自動(dòng)化程度比較低。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是小區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、高效性、經(jīng)濟(jì)性直接或間接的影響到小區(qū)用戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理水平的高低。</p><p>　　小區(qū)日常的生活用水隨季節(jié)

26、、一天時(shí)間段的不同而有較大變化，一般夏天和早晚呈現(xiàn)高峰期，天氣較冷以及深夜用水量不大，因而經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡，主要表現(xiàn)在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水多則水壓高。如果水壓低，則無(wú)法將水供到高層用戶，要用水泵再次將水送至樓頂?shù)母呶凰?，再供?yīng)給用戶。這種將水通過(guò)二次方式供給用戶，對(duì)水資源會(huì)形成不同程度的污染，影響到居民的身體健康，而且對(duì)供水設(shè)備也會(huì)造成不同程度的損害，減短設(shè)備的使用壽命，再者電機(jī)頻繁地處于啟動(dòng)和停止的變

27、換狀態(tài)會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊，因而導(dǎo)致供水設(shè)備的故障率升高，極大的影響了小區(qū)用戶的用水。</p><p>　　針對(duì)以上存在的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC、遠(yuǎn)傳壓力表、變頻器及多臺(tái)水泵機(jī)組等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使管網(wǎng)產(chǎn)生的壓力保持恒定，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，在用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，

28、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)具有良好的節(jié)能性。在能源日益緊缺的今天研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，所帶來(lái)的節(jié)能效益，對(duì)于提高供水企業(yè)效率以及人民的生活質(zhì)量、降低能耗、節(jié)能減排等方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　1.2 PLC的定義及其應(yīng)用</p><p>　　可編程控制器，簡(jiǎn)稱PLC，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的

29、存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式、模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成的一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。</p><p>　　可編程控制器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而且應(yīng)用的范圍在不斷的擴(kuò)大，其主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：</p><p>　?。?）

30、PLC具有“與”“或”“非”等邏輯指令，可以實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)和電路的串聯(lián)、并聯(lián)，代替繼電器進(jìn)行邏輯控制、順序控制與定時(shí)控制，既可以實(shí)現(xiàn)單臺(tái)機(jī)器控制，也可用于多機(jī)控制及自動(dòng)化流水線的控制；</p><p>　?。?）PLC可以把描述目標(biāo)位置的數(shù)據(jù)送給模塊，當(dāng)每個(gè)軸動(dòng)移動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制模塊能使之保持適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?，確保運(yùn)動(dòng)的平滑性?？删幊炭刂破鞯倪\(yùn)動(dòng)控制功能可廣泛的用于各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)中。</p><p&g

31、t;　?。?）通過(guò)PLC模擬量輸入、輸出模塊，實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，并利用PID子程序或?qū)Ｓ玫闹悄躊ID模塊對(duì)模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制，完成對(duì)溫度、壓力、流量和速度等模擬量的過(guò)程控制。</p><p>　?。?）現(xiàn)代的PLC能進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳輸，也能進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的通信等。</p><p>　?。?）PLC能完成基本單元與遠(yuǎn)程I/O之間的通信、PLC之間的通信、PL

32、C和智能設(shè)備之間的通信。</p><p>　　1.3國(guó)內(nèi)外變頻器調(diào)速技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　把電壓和頻率不變的交流電變化為電壓和頻率都可變的交流電的裝置叫做變頻器。從上世紀(jì)30年代開(kāi)始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究。20 世紀(jì)60 年代以后，特別是70 年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制方式以及自動(dòng)化控制水平的不斷提高，新的控制策略不斷涌現(xiàn)，使得交流調(diào)速技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并

33、已在機(jī)械、冶金、電氣等行業(yè)得到普遍應(yīng)用，交流調(diào)速以其比較明顯的節(jié)點(diǎn)效果，優(yōu)良的調(diào)速性能以及廣泛的普適性逐步取代直流調(diào)速的地位，已經(jīng)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域發(fā)展的主流方向。</p><p>　　目前國(guó)外在變頻器調(diào)速技術(shù)方面有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）在全球能源短缺和自動(dòng)化程度不斷提高的情況下，變頻器在冶金、機(jī)械、石油、化工、紡織等各個(gè)行業(yè)以及風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能場(chǎng)合越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用，并取得

34、了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　?。?）功率器件發(fā)展十分迅速。變頻調(diào)速技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)、電機(jī)控制方式以及自動(dòng)化控制基礎(chǔ)之上的。近年來(lái)，高電壓、大電流以及智能模塊IPM (Intelligent Power Module)等器件的生產(chǎn)運(yùn)用以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。</p><p>　?。?）高性能變頻調(diào)速理論基礎(chǔ)是

35、建立在控制理論和微電子技術(shù)支持現(xiàn)代自動(dòng)化控制領(lǐng)域和以現(xiàn)代控制論為基礎(chǔ)，并融入模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等新的控制理論。在此基礎(chǔ)上高性能的變頻調(diào)速才得以發(fā)展。</p><p>　　我國(guó)電氣傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)始于1954 年。由于國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對(duì)國(guó)外公司的依賴仍很?chē)?yán)重。</p><p>　　1.4本文的主要內(nèi)容</p><p>　　本文在通過(guò)對(duì)PLC變頻恒

36、壓供水技術(shù)和原理分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)用戶對(duì)供水的需求，制定一套具有自動(dòng)化程度高、高效節(jié)能、安全潔凈、維護(hù)方便等特點(diǎn)的供水系統(tǒng)。該套系統(tǒng)由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)故障報(bào)警，以便保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。具體而言，本文主要包括了一下幾方面：</p><p>　?。?）本文在對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上提

37、出了相對(duì)可行的方案和確定提出該方案的方法。</p><p>　?。?）分析恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理，確定恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出恒壓供水系統(tǒng)的原理和控制流程。</p><p>　?。?）討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)方案以及程序執(zhí)行的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方案。</p><p>　?。?）介紹PID的調(diào)節(jié)原理，利用PID的調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的恒壓供水的調(diào)

38、節(jié)。</p><p>　?。?）通過(guò)計(jì)算機(jī)、通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)的故障報(bào)警，提出能實(shí)現(xiàn)該監(jiān)控和報(bào)警的軟件設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　第2章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案確定</p><p>　　2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理分析</p><p>　　供水系統(tǒng)的主要參數(shù)有以下幾點(diǎn)：（1）流量Q是單位時(shí)間內(nèi)

39、流過(guò)管道內(nèi)某一界面的水流量。在管道界面不變的情況下，它的大小決定于水流的速度；（2）揚(yáng)程H是供水系統(tǒng)中把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)水位的水位差，通常用單位米來(lái)表述；（3）管阻R是閥門(mén)和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力。它不是常數(shù)，很難用公式定量的計(jì)算，通常用揚(yáng)程和流量的關(guān)系曲線來(lái)描述；（4）壓力P是體現(xiàn)供水系統(tǒng)中某一位置水壓的物理參數(shù)，它的大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，在動(dòng)態(tài)時(shí)，則還應(yīng)與流量與揚(yáng)程之間的

40、平衡關(guān)系有關(guān)。</p><p>　　供水系統(tǒng)主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、閥門(mén)和管道構(gòu)成的。而揚(yáng)程特性以管路中的閥門(mén)開(kāi)度不改變?yōu)榍疤釛l件的。它主要反應(yīng)了在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量之間的關(guān)系。圖中標(biāo)注曲線，稱為揚(yáng)程變化曲線。管阻特性以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，它主要反?yīng)閥門(mén)在某一開(kāi)度下，來(lái)控制供水能力的特性曲線。管阻特性反映了水泵所提供的能量用來(lái)克服管網(wǎng)的水位帶來(lái)的壓力差、液體在管網(wǎng)中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生阻力變化的規(guī)律。由下圖2.1可知，

41、在同一閥門(mén)開(kāi)度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也是越大。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖中的A點(diǎn)，在A點(diǎn)上，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，在這個(gè)狀態(tài)上系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)十分穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.1 揚(yáng)程與管阻的關(guān)系圖</p><p>　　用戶在不同的時(shí)間段對(duì)水的需求量是不同的。因此在供水系統(tǒng)中，最根本的需要被控制對(duì)象就是水流量的變

42、化。常見(jiàn)控制水流量的方法主要有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。</p><p>　　閥門(mén)控制法主要控制對(duì)象是閥門(mén)，通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速則保持不變，一般為額定轉(zhuǎn)速。它的調(diào)節(jié)本質(zhì)就是水泵本身的電機(jī)功率保持不變，即供水能力不變，通過(guò)改變供水中的阻力大小來(lái)改變流量的大小，以此來(lái)適應(yīng)用戶的供水需求。這種調(diào)節(jié)方法管阻特性隨著閥門(mén)的開(kāi)度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。</p><p&g

43、t;　　轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量的，而閥門(mén)的開(kāi)度則保持不變。它的本質(zhì)是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，以此來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)供水量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性也隨之改變，而管阻特性則保持不變。</p><p>　　根據(jù)相關(guān)資料介紹，水泵工作效率的相對(duì)值的近似計(jì)算公式如下：</p><p>　　=C1（Q/n）-C2(Q/n)*2 (2-1

44、)</p><p>　　式中、Q、n分別表示效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值；C1\C2是常數(shù)，有水泵的制造廠家提供。</p><p>　　根據(jù)公式可知，當(dāng)用閥門(mén)控制法來(lái)減小流量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，n=1，Q/n= Q，由此得出隨著流量的減小，水泵工作的效率明顯變得十分低下。而用轉(zhuǎn)速控制法是，由于在閥門(mén)開(kāi)度不改變的情況下執(zhí)行的，流量和轉(zhuǎn)速成正比，Q/n不變。由此可知用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)，水泵的工作效率一直

45、處于最佳的工作狀態(tài)。</p><p>　　傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，即使在用水量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也常常是處于輕載狀態(tài)的，其效率和功率因素都相對(duì)較低。而采用變頻調(diào)速控制法以后，可在將閥門(mén)完全打開(kāi)的情況下，適當(dāng)降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行是，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)荷輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。</p><p>　　2.2變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論思路分析<

46、;/p><p>　　變頻恒壓供水控制系統(tǒng)是把供水的管網(wǎng)水壓作為一個(gè)主要的控制目標(biāo)，主要是把系統(tǒng)設(shè)定供水壓力和供水系統(tǒng)中的管網(wǎng)的實(shí)際水壓相協(xié)調(diào)。設(shè)定的供水壓力是一個(gè)經(jīng)過(guò)計(jì)算過(guò)的常數(shù)，也可以是一個(gè)按照小區(qū)需水情況而設(shè)定的一個(gè)以時(shí)間為分段的函數(shù)，在設(shè)定的每一個(gè)時(shí)間段是一個(gè)常數(shù)。因此，在某一個(gè)特定的時(shí)間段和時(shí)間點(diǎn)，系統(tǒng)控制的目標(biāo)就是使管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在一個(gè)系統(tǒng)設(shè)定和要求的供水壓力點(diǎn)上。</p><p

47、>　　根據(jù)圖2.2可以得出，在系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)程中，如果管網(wǎng)實(shí)際的供水壓力高于設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)就會(huì)得到一個(gè)負(fù)的壓力值，這個(gè)壓力值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)變頻器輸出一個(gè)頻率應(yīng)該的減少值，這個(gè)計(jì)算出來(lái)的值是為了增大實(shí)際供水壓力和設(shè)定了的壓力值的差值，如果將這個(gè)減少量和變頻器的當(dāng)前的輸出量相加，所得到的數(shù)值就是變頻器應(yīng)該輸出的頻率。這個(gè)頻率就可以改變電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，使之減小，來(lái)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)實(shí)際壓力的降低，這個(gè)過(guò)程在運(yùn)行中會(huì)不斷的重復(fù)的把實(shí)際壓力

48、值和設(shè)定壓力值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算和轉(zhuǎn)換直到兩個(gè)值相等為止。如果管網(wǎng)的供水壓力低于系統(tǒng)設(shè)定的壓力，那么所獲得的情況則與上訴陳述剛好相反，變頻器的輸出頻率會(huì)得到應(yīng)有的提高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)加快，實(shí)際管網(wǎng)的供水壓力會(huì)得到相應(yīng)的增大，這樣做最后的目的也是把實(shí)際供水壓力和設(shè)定的壓力達(dá)到相等。</p><p>　　圖2.2 恒壓供水系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案確定<

49、/p><p>　　從上面的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理框圖可以很容易得出，該系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備。該系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用PLC和變頻器，控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)水泵的管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)以及對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。這種由變頻器、PLC、計(jì)算機(jī)和通信模塊組成的系統(tǒng)，具有控制方式靈活、人機(jī)接口簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)良好的通信接口，可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

50、而PLC具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，用戶可以靈活的組成各種規(guī)格和要求不同的控制措施。也可以通過(guò)PC機(jī)來(lái)改變存儲(chǔ)器中寫(xiě)好的控制程序，使得它的現(xiàn)場(chǎng)操控調(diào)節(jié)更加簡(jiǎn)單方便。而且該類系統(tǒng)適合在各種不同場(chǎng)合的恒壓供水系統(tǒng)，并且與機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的硬件選擇和設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1恒壓變頻供水系統(tǒng)硬件的選擇</p><p>　　根據(jù)變頻恒壓供

51、水系統(tǒng)的原理框圖，可初步得出該系統(tǒng)電氣的控制總框圖。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)電氣控制總框圖</p><p>　　由該框圖可以得出，變頻恒壓供水系統(tǒng)主要包括以下硬件：</p><p><b>　?。?）水泵機(jī)組；</b></p><p><b>　　（2）變頻器；</b></p>

52、;<p>　?。?）PLC及其擴(kuò)展模塊；</p><p><b>　?。?）壓力傳感器。</b></p><p>　　以下就各個(gè)硬件進(jìn)行介紹，并進(jìn)行選型。</p><p>　　3.1.1水泵機(jī)組的選擇</p><p>　　本課題要求多臺(tái)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水的需要，又由于小區(qū)用戶在對(duì)水的需求存在早晚高峰期等特點(diǎn)，

53、因此，這里選擇三臺(tái)電機(jī)水泵，實(shí)現(xiàn)小區(qū)不同時(shí)間段的供水需求。在選擇供水機(jī)組時(shí)，要確保水泵的運(yùn)行穩(wěn)定，為了達(dá)到節(jié)能的要求，要求水泵大部分時(shí)間處于高效運(yùn)行的區(qū)域。因此所選的水泵應(yīng)該根據(jù)小區(qū)實(shí)際的對(duì)水的需求情況相適應(yīng)。</p><p>　　3.1.2 PLC及其擴(kuò)展模塊的選擇</p><p>　　目前，生產(chǎn)可編程控制器的廠商很多，每個(gè)廠家又生產(chǎn)很多系列，不同的系列都具有其自己的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和特定的指令

54、系統(tǒng)。而PLC是供水系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)恒壓變頻的核心，它主要負(fù)責(zé)完成對(duì)系統(tǒng)中輸入信號(hào)的采集，對(duì)輸出模塊的控制和數(shù)據(jù)的交換。所以在選擇PLC時(shí)，應(yīng)充分考慮它的運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、診斷功能、處理速度和帶擴(kuò)展模塊的能力等各方面的因素。這里選擇日本三菱的FX系列PLC。FX系列中有FX-1S，F(xiàn)X-1N和FX-2N三種型號(hào)。由于FX-2N是FX系列最先進(jìn)的，它是一種功能最強(qiáng)、速度最快的微型可編程控制器，它具有執(zhí)行速度快、補(bǔ)充了通信功能、滿足大

55、量特殊功能模塊、等特點(diǎn)。在實(shí)際的應(yīng)用中提供最大的靈活度和控制力。按照系統(tǒng)的要求，在供水系統(tǒng)中，選擇FX-2N-32MR和擴(kuò)展輸出模塊 FX-2N-16EYR。</p><p>　　FX-2N-32MR的主要參數(shù)為：每條基本指令執(zhí)行時(shí)間為0.08μs；具有27條基本指令、2條步進(jìn)指令和298條功能指令；有3072點(diǎn)輔助繼電器、1000點(diǎn)狀態(tài)繼電器、256點(diǎn)定時(shí)器、235點(diǎn)計(jì)數(shù)器、8000多點(diǎn)16位數(shù)據(jù)寄存器、128

56、點(diǎn)跳步指針和15點(diǎn)中斷指針；內(nèi)附8K步RAM（RUN過(guò)程中可更改程序），最大可擴(kuò)展到256個(gè)I/O點(diǎn)；輸出形式為繼電型；通信能力強(qiáng)。</p><p>　　擴(kuò)展輸出模塊 FX-2N-16EYR有16個(gè)輸出點(diǎn)，屬于繼電輸出型。</p><p>　　3.1.3變頻器的選擇</p><p>　　由電機(jī)拖動(dòng)中交流調(diào)速的相關(guān)知識(shí)可知，變頻調(diào)速的性能最好。變頻調(diào)速電氣傳動(dòng)調(diào)速范圍

57、大，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率高，是一種比較理想的調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)變頻器的選擇，首先要確定變頻器的容量，用所配電動(dòng)機(jī)的額定功率和額定電流來(lái)確定變頻器的容量。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種：普通功能型U/f變頻控制器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U/f變頻控制器和矢量控制高功能型變頻控制器。其中普通功能型U/f變頻控制器是專門(mén)為風(fēng)機(jī)、泵用而設(shè)計(jì)的。</p><p>　　3.1.4壓力傳感器和壓力變送器的選擇</

58、p><p>　　壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自動(dòng)化控制、航空航天、軍工、石油化工、油井、電力、船舶、機(jī)床等眾多行業(yè)。壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的。壓力傳感器和壓力變送器的主要作用是把壓力信號(hào)傳到電子設(shè)備，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)顯示壓力。其原理是：將水壓這種壓力的力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流（4-20mA）這樣的模擬信號(hào)，作為模擬輸入模塊的輸入。

59、壓力和電壓大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系，所以變送器輸出的電壓或電流隨著壓力增大而增大。壓力傳感器在傳輸?shù)倪^(guò)程中往往受到周?chē)盘?hào)的干擾，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可能開(kāi)啟所有的水泵，而此時(shí)用戶的用水量又達(dá)不到所有水泵開(kāi)啟的高度，這就使水管中的水壓迅速上升，產(chǎn)生爆管的危險(xiǎn)。為了防止這種高水壓損害設(shè)施的出現(xiàn)，在該供水系統(tǒng)中使用壓力上限報(bào)警設(shè)置，即在壓力超出PLC中設(shè)定的數(shù)值時(shí)，關(guān)閉所有水泵進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求不是非常

60、高，采用普通的壓力表和數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)變送和顯示。數(shù)顯儀輸出一路4-20mA的電流信號(hào)，送給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反饋信號(hào)，在設(shè)定壓力上限，來(lái)輸出壓力超</p><p>　　圖3.2 壓力傳感器接線圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)電氣部分主電路的分析和設(shè)計(jì)</p><p>　　變頻器的輸入信號(hào)主要考慮兩種：一是控制信號(hào)，它包括PLC輸給變頻器的FWD信號(hào)和壓

61、力傳感器輸送過(guò)來(lái)的壓力檢測(cè)信號(hào)。壓力信號(hào)經(jīng)PLC檢測(cè)到后由PLC輸出，壓力信號(hào)是作為變頻器為PID單元反饋輸入信號(hào)；還有一種是電源信號(hào)。</p><p>　　變頻器的輸出信號(hào)主要也考慮兩種：一是包括三種輸出控制信號(hào)，即送PLC的超過(guò)壓力上限信號(hào)、欠壓信號(hào)和變頻器的故障信號(hào)；還有一種送到電機(jī)的變頻輸出電源信號(hào)。</p><p><b>　　圖3.3 開(kāi)環(huán)控制</b>&l

62、t;/p><p><b>　　圖3.4 閉環(huán)控制</b></p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)3臺(tái)大功率電動(dòng)機(jī)，可在變頻和工頻兩種方式下運(yùn)行。壓力傳感器把管道水壓變換為電信號(hào)，經(jīng)模擬量轉(zhuǎn)換輸人模塊，PLC根據(jù)設(shè)定的壓力值與實(shí)際檢測(cè)到的數(shù)值進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)經(jīng)模擬量輸出模塊到變頻器，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。小區(qū)的供水系統(tǒng)存在日夜時(shí)間段不同，

63、蓄水量不同的情況。系統(tǒng)首先有一臺(tái)電機(jī)在變頻狀態(tài)下運(yùn)行，當(dāng)小區(qū)用戶用水量大到水泵全速運(yùn)作也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，PLC設(shè)定的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到，PLC自動(dòng)將原來(lái)工作在變頻狀態(tài)下的水泵改變到工頻運(yùn)行狀態(tài)，以保持管網(wǎng)壓力的連續(xù)性，同時(shí)將下一臺(tái)備用水泵用變頻器啟動(dòng)后投人使用，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。如果小區(qū)用戶的用水量非常大（比如盛夏晚間），有2臺(tái)電機(jī)水泵工作下仍不能滿足管網(wǎng)壓力的要求，則將變頻工作狀態(tài)

64、下的2號(hào)水泵投人到工頻運(yùn)行狀態(tài)，再將一臺(tái)3號(hào)水泵投入變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用戶用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效，這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍然出現(xiàn)，PLC首先將最先工頻運(yùn)行的泵停掉，以減少供水量。當(dāng)上述2個(gè)信號(hào)仍存在時(shí)，PLC再停掉第2臺(tái)工頻運(yùn)行的電機(jī)，直到</p><p>　　在系統(tǒng)的控制電路中，電機(jī)水泵用的是強(qiáng)電，而PLC設(shè)備等是弱電。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮強(qiáng)電和弱點(diǎn)的隔離問(wèn)題。在保護(hù)PLC方面，可以在PLC輸

65、出端口和交流接觸器之間引入一個(gè)中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線圈的得電和失電。</p><p>　　在使用變頻器的時(shí)候，不能一臺(tái)電機(jī)同時(shí)接到工頻和變頻電源的現(xiàn)象。所以在主泵電機(jī)的工頻和變頻運(yùn)行接觸器做了互鎖設(shè)計(jì)；變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量給予配置的，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行，所以在各臺(tái)電機(jī)的變頻運(yùn)行也做了互鎖。</p><p>　　圖3.5 系統(tǒng)電氣部分電路設(shè)計(jì)</p>

66、;<p>　　3.3PLC可編程邏輯控制器的I/O端子分配</p><p>　　前面已經(jīng)選擇PLC型號(hào)為三菱FX-2N-32MR和擴(kuò)展模塊FX-2N-16EYR。FX-2N-32MR內(nèi)部包括CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出端口、電源；其中輸入點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)為16點(diǎn)。PLC的端子具體分配情況如下表所示：</p><p>　　表3-1 PLC端子分配</p><

67、;p>　　以下是PLC的接線圖：</p><p>　　圖3.6 PLC的接線圖</p><p>　　3.4變頻器的選擇及接線</p><p>　　按照系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)選用富士變頻器FRN55P11S-4CX，這種變頻器具有多功能低噪聲高性能的特點(diǎn)。其接線和功能設(shè)定去下表所示：</p><p>　　表3-2變頻器接線和功能設(shè)定</

68、p><p>　　以下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的頻率參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)單的說(shuō)明：</p><p>　　最高輸出頻率：水泵的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。所以，變頻器所設(shè)置的最高頻率只能與水泵的額定頻率相等，即50HZ。</p><p>　　上限頻率；在實(shí)際50HZ運(yùn)行時(shí)，水泵的變頻實(shí)際轉(zhuǎn)速高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，增大了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，所以上限頻率應(yīng)略低于最高

69、頻率50HZ。</p><p>　　下限頻率：在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程，形成水泵空轉(zhuǎn)的情況，所以下限頻率應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　啟動(dòng)頻率：水泵在啟動(dòng)的時(shí)候，葉輪全部浸在水中，啟動(dòng)存在阻力，從0HZ開(kāi)始，在一定的頻率內(nèi)，是轉(zhuǎn)不起來(lái)的。</p><p>　　第4章 變頻恒壓供水系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p>

70、<p>　　4.1水泵運(yùn)行狀態(tài)及過(guò)程分析</p><p>　　在第三章中已經(jīng)初步提到了水泵的運(yùn)行狀態(tài)，為了能滿足小于用戶用水量的需要，保持管道水壓的恒定，需要控制變頻器的頻率和三臺(tái)水泵投入使用。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，在程序的設(shè)計(jì)中需要注意幾點(diǎn)：</p><p>　　在系統(tǒng)中，變頻器只控制當(dāng)前變頻的電機(jī)；</p><p>　　對(duì)于每臺(tái)泵，任何時(shí)

71、刻都只能工作在變頻或工頻其中的一種狀態(tài)，否則應(yīng)處于停止?fàn)顟B(tài)；</p><p>　　前面提到的數(shù)顯儀的主要界面顯示PLC和變頻器以及其他系統(tǒng)的通訊情況、壓力的設(shè)定和反饋、水泵的工作狀態(tài)等。</p><p>　　系統(tǒng)三臺(tái)可變頻水泵根據(jù)小區(qū)需水情況進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)變頻運(yùn)行方式時(shí)，第一步啟動(dòng)一臺(tái)水泵，使該水泵處于變頻供水狀態(tài)，并開(kāi)始工作達(dá)到供水的目的。1號(hào)水泵的運(yùn)行中，變頻器根據(jù)實(shí)際管

72、網(wǎng)水壓的變化，通過(guò)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)的水流量，維持一定的水壓。如果用戶的用水量進(jìn)一步上升，達(dá)到1號(hào)水泵的最大供水能力時(shí)，仍然達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)定的壓力值，PLC會(huì)給出一個(gè)控制信號(hào)，示意1號(hào)水泵與變頻器斷開(kāi)，轉(zhuǎn)而進(jìn)入一個(gè)工頻運(yùn)行的狀態(tài)，同時(shí)PLC給出一個(gè)控制信號(hào)，使變頻器對(duì)2號(hào)水泵進(jìn)行連接，并啟動(dòng)2號(hào)水泵。這是1號(hào)水泵為工頻運(yùn)行，2號(hào)水泵為變頻運(yùn)行，2臺(tái)水泵處在一個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的狀態(tài)，這時(shí)內(nèi)置PID根據(jù)實(shí)際管網(wǎng)壓力的數(shù)值，

73、進(jìn)行對(duì)2號(hào)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，維持正常的水壓。如小區(qū)用水量繼續(xù)增加，兩個(gè)水泵也無(wú)法滿足水壓的要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)按照以上的過(guò)程，繼續(xù)軟啟動(dòng)3號(hào)電機(jī)，而1號(hào)、2號(hào)均處于工頻狀態(tài)，3號(hào)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。在隨著用水需求的上升而增加水泵數(shù)量的過(guò)程中，都是首先保證原來(lái)處于變頻的水泵優(yōu)先轉(zhuǎn)入工頻恒速運(yùn)行，新開(kāi)啟的水泵軟啟動(dòng)處于變頻運(yùn)行狀態(tài)，其中只有一臺(tái)電機(jī)水泵是處于變頻工作狀態(tài)的。</p><p>　　相反當(dāng)用戶對(duì)水的需求量減少時(shí)，P

74、LC控制變頻器通過(guò)內(nèi)置的PID調(diào)節(jié)降低電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)維持水壓的正常。如果變頻器的輸出頻率達(dá)到了電機(jī)的下限頻率時(shí)，水壓仍然是過(guò)高的，那么，按照“先起先?！钡脑瓌t，由PLC對(duì)變頻器傳輸一個(gè)控制信號(hào)，將當(dāng)前的處于工頻狀態(tài)的電機(jī)水泵關(guān)閉，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓自動(dòng)升高變頻器的輸出頻率，加大供水能力，維持水壓。按照這樣的原則，隨著需水量的下降，逐步關(guān)掉處于工頻狀態(tài)的運(yùn)行水泵。</p><p>　　當(dāng)需水量繼續(xù)減

75、少到只剩一臺(tái)變頻電機(jī)水泵工作時(shí)，若用水量繼續(xù)減少，變頻器在輸出頻率到達(dá)下限時(shí)，管網(wǎng)中的水壓仍然過(guò)高，則關(guān)閉工頻運(yùn)行的電機(jī)水泵，直到只有一臺(tái)電機(jī)水泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)為止。這種情況一般在深夜時(shí)候發(fā)生。</p><p>　　由于本系統(tǒng)由三臺(tái)電機(jī)組成，為了避免某臺(tái)電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到運(yùn)作而出現(xiàn)生銹而導(dǎo)致銹死的現(xiàn)象，系統(tǒng)的供水狀態(tài)應(yīng)該按照“先起先停”的原則，即變頻工頻的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”。</p>&

76、lt;p>　　系統(tǒng)采用三臺(tái)主泵和一臺(tái)輔助泵來(lái)給小區(qū)提供供水，按照“先起先?！钡脑瓌t，其中參與變頻運(yùn)行的水泵，總共有10種有效的供水狀態(tài)。具體如下表所示：</p><p>　　表4-1系統(tǒng)供水電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)表</p><p>　　各種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換的條件已經(jīng)目前所處的供水狀態(tài)有關(guān)。轉(zhuǎn)換條件是根據(jù)變頻器輸出頻率是否達(dá)到了極限頻率和水壓是否達(dá)到了上下限值。設(shè)變頻器在輸出頻率達(dá)到了極限頻

77、率的信號(hào)為X1，水壓達(dá)到設(shè)定壓力的下限值時(shí)所產(chǎn)生的欠壓信號(hào)設(shè)定為X2，水壓達(dá)到設(shè)定的上限值時(shí)的差壓信號(hào)設(shè)定為X3。它們滿足的關(guān)系如下：</p><p>　　增加主泵條件應(yīng)同時(shí)滿足X1和X2；減少主泵條件應(yīng)同時(shí)滿足X1和X3。</p><p>　　4.2系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)方法</p><p>　　美國(guó)通用公司率先提出采用一種可編程序的邏輯控制器來(lái)取代硬件接線控制電路的

78、設(shè)想后，引發(fā)了PLC開(kāi)發(fā)的熱潮。從此以后，PLC在工業(yè)環(huán)境中因可靠性高、控制程序可變、具有良好的柔性、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)、功能性強(qiáng)、性價(jià)比高、能耗低等眾多優(yōu)點(diǎn)使之發(fā)展十分迅速。可編程控制器的硬件由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、電源、擴(kuò)展接口、外設(shè)接口及編程器等組成。其中CPU是PLC的核心組成部分，在PLC系統(tǒng)中通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)器、I/O接口等連接，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了類似人體神經(jīng)中樞的作用，來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)系

79、統(tǒng)。</p><p>　　可編程器工作時(shí)，CPU每一瞬間只能完成一件事，也就是說(shuō)一個(gè)CPU每一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。CPU是按分時(shí)操作方式來(lái)順序處理各項(xiàng)任務(wù)的。PLC對(duì)許多需要處理的任務(wù)依次按規(guī)定順序進(jìn)行訪問(wèn)和處理。但是CPU的運(yùn)算速度是極高的。</p><p>　　梯形圖是使用最多的可編程控制器圖形編程語(yǔ)言，梯形圖稱為電路或程序，梯形圖的設(shè)計(jì)叫做編程。梯形圖的分析

80、設(shè)計(jì)方法是根據(jù)控制要求選擇相關(guān)聯(lián)的基本控制環(huán)節(jié)或經(jīng)過(guò)驗(yàn)證正確的成熟程序，并對(duì)他進(jìn)行修改和補(bǔ)充，最終綜合成滿足控制要求的比較完整能實(shí)現(xiàn)控制的程序。梯形圖的特點(diǎn)是沒(méi)有固定的設(shè)計(jì)步驟，方法簡(jiǎn)單易學(xué)，但也有明顯的缺點(diǎn)，其最終設(shè)計(jì)結(jié)果未必是最佳的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　PLC程序執(zhí)行過(guò)程分為三個(gè)階段，輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。</p><p>　　在程序開(kāi)始執(zhí)行的時(shí)候，PLC

81、用掃描的方式將輸入信號(hào)的狀態(tài)讀入到寄存器中存儲(chǔ)起來(lái)，輸入狀態(tài)按“1”或“0”讀入。當(dāng)輸入狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，寄存器中的內(nèi)容也不會(huì)有所改變，只要在下一個(gè)工作周期輸入采樣階段后才會(huì)被重新讀入。</p><p>　　程序執(zhí)行時(shí)，PLC按照順序掃描方式對(duì)程序進(jìn)行掃描，在掃描到一個(gè)指令時(shí)，寄存器中讀出輸入的狀態(tài)，將執(zhí)行結(jié)果輸入到另一個(gè)寄存器中。</p><p>　　程序執(zhí)行完成后，就會(huì)進(jìn)入輸出的刷新階段

82、。這個(gè)階段將寄存器中所輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出電路，在驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備，PLC完成實(shí)際輸出。</p><p>　　4.3控制程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　按照本供水系統(tǒng)的需要，PLC需要實(shí)現(xiàn)的功能主要有，電機(jī)的自動(dòng)變頻運(yùn)行、自動(dòng)工頻運(yùn)行、手動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制模塊等。在通過(guò)PLC控制，PID的調(diào)節(jié)，完成對(duì)系統(tǒng)中主要的電機(jī)變頻和工頻運(yùn)行的切換。</p><p>　　自動(dòng)工頻運(yùn)行：

83、是一種備用供水方案。為了防止變頻器發(fā)生故障，維持壓力的恒定，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的壓力上限和下限自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)工頻運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，繼續(xù)給小區(qū)用戶提供用水。</p><p>　　自動(dòng)變頻運(yùn)行：是智能根據(jù)用戶用水量的需要，增加或減少電機(jī)，采用變頻的模式，達(dá)到節(jié)能的目的。</p><p>　　遠(yuǎn)程手動(dòng)控制：是在供水系統(tǒng)的控制間內(nèi)，用外端設(shè)備，如計(jì)算機(jī)和PLC組成的通信模塊遠(yuǎn)程控制電機(jī)水泵的運(yùn)行。</p&

84、gt;<p>　　現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制是在電機(jī)水泵房通過(guò)人工來(lái)控制電機(jī)的變頻和工頻的運(yùn)行。</p><p>　　圖4.1 PLC控制程序流程圖</p><p>　　4.4 PID控制及其控制算法</p><p>　　PID控制的特點(diǎn)歸納如下：</p><p>　　比例控制規(guī)律（P）：采用比例控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)是能較快的克服擾動(dòng)所帶來(lái)的影響，

85、使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)，但仍有余差的存在。這比較適合在控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制精度要求不高、被控對(duì)象的參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差存在的場(chǎng)合。</p><p>　　比例積分控制規(guī)律（PI）：比例積分控制規(guī)律在工業(yè)上應(yīng)用的是最廣泛的。積分能達(dá)到消除余差的效果，它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控對(duì)象參數(shù)不允許有余差存在的場(chǎng)合。</p><p>　　比例微分控制規(guī)律（PD）

86、：在這種控制規(guī)律中，微分具有超前的作用，對(duì)于存在容量滯后的控制通道，可以引入微分控制規(guī)律，在微分時(shí)間設(shè)置得當(dāng)?shù)那闆r下，對(duì)于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有顯著的效果。對(duì)于控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯后較大的場(chǎng)合，為了能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差等可選用比例微分控制規(guī)律。但是對(duì)于純滯后較大，測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性擾動(dòng)的系統(tǒng)，不宜采用微分控制。</p><p>　　比例積分微分控制規(guī)律（PID）：這種控制規(guī)律是一種比較理想

87、的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上又引入了積分，這樣可以消除余差，再加入微分作用，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合。</p><p>　　圖4.2 PID控制原理圖</p><p>　　模擬PID控制器的微分方程為：</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　

88、　式中Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。</p><p><b>　　取拉氏變換：</b></p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　整理后得PID控制器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(4-3)</b></p&g

89、t;<p><b>　　其中，為積分系數(shù)；</b></p><p><b>　　，為微分系數(shù)。</b></p><p>　　該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對(duì)象組成，系統(tǒng)供水的目的是要保證供水能力適應(yīng)小區(qū)用戶的需求變化。供水管網(wǎng)壓力的變化，是有供水能力和用水需求的不平衡產(chǎn)生的。主要就可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓力的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)供水流量大小的調(diào)節(jié)，

90、保證供水能力和需求通水的平衡。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)這個(gè)平衡的過(guò)程一般如下：根據(jù)用戶對(duì)水壓的需求，給PID調(diào)節(jié)器設(shè)置一個(gè)預(yù)先的目標(biāo)壓力數(shù)值，而管網(wǎng)中的實(shí)際水壓，是通過(guò)壓力傳送器換成4-20mA的模擬電流信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)反饋給變頻器內(nèi)的PID調(diào)節(jié)器，PID則會(huì)根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力的偏差，給出一個(gè)適合的調(diào)節(jié)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，然后調(diào)節(jié)電機(jī)水泵的轉(zhuǎn)速，適應(yīng)用戶用水量的變化，用這種方法來(lái)取得這個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

91、</p><p>　　第5章 變頻恒壓供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組成</p><p>　　為了提升小區(qū)供水的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的管理水平和出現(xiàn)故障時(shí)的應(yīng)急處理能力，對(duì)系統(tǒng)安裝一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)配合PLC的方式，進(jìn)行有效的監(jiān)控。計(jì)算機(jī)職

92、業(yè)負(fù)責(zé)獲取電機(jī)、變頻等的運(yùn)行情況，并在對(duì)故障發(fā)生發(fā)去及時(shí)的報(bào)警。PLC主要是對(duì)系統(tǒng)中輸入信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)輸出單元進(jìn)行控制和對(duì)外的數(shù)據(jù)交換等。</p><p>　　三菱FX2N系列既可以選擇在內(nèi)部安裝一塊FX-2N-232-BD通信用功能擴(kuò)展板，用于各種RS-232設(shè)備通信；又可以內(nèi)部安裝一塊FX-2N-422-BD通信用功能擴(kuò)展板，用于與RS-422通信；還可以內(nèi)部安裝一塊FX-2N485-BD通信用功能擴(kuò)展板，

93、用于與RS-485通信。由于供水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)距離電機(jī)較遠(yuǎn)，適合采用RS-485通信方式。因此在PLC和計(jì)算機(jī)之間增加擴(kuò)展模塊RS-232C/485，交換接口FX485PC-IF、RS-485，通信適配器FXON-485ADP和RS-485，通信功能擴(kuò)展板FX2N-CNV-BD。其中擴(kuò)展板安裝在PLC內(nèi)部，之起到接口變換的作用。具體連接圖如下所示：</p><p>　　圖5.1 計(jì)算機(jī)與PLC連接方案圖</

94、p><p>　　為了保證收發(fā)各方通信的準(zhǔn)確和暢通，類似于交通規(guī)則來(lái)規(guī)范交通行為一樣，在通信系統(tǒng)中用通信協(xié)議來(lái)規(guī)范收發(fā)各方通信行為。PLC配備了專用的通信接口和通信模塊，以便與上位機(jī)進(jìn)行通信。</p><p>　　PLC與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信是，系統(tǒng)參數(shù)由PLC發(fā)給上位機(jī)，然后上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析加工處理后，反饋給操作者，操作者再將需要執(zhí)行的命令輸入到上位機(jī)，由上位機(jī)回傳給PLC。上位機(jī)通常都是通

95、用計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示和打印，監(jiān)視工作狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)通信和編制PLC程序，而PLC仍然是面向現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　PLC與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信采用的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)交換方式是字符串的ASCII碼。</p><p>　　表5-1命令和字符串的編碼格式</p><p>　　5.2PLC通信程序的設(shè)計(jì)</p><

96、p>　　PLC通信程序的設(shè)計(jì)需要對(duì)D8120、D8121和D8129這幾個(gè)特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置，確定通信的協(xié)議。這里選擇的通信參數(shù)為波特率9600，偶校驗(yàn)，七位數(shù)據(jù)，一位停止位，站號(hào)為1，校驗(yàn)時(shí)間為10ms，它的梯形圖如下所示：</p><p>　　圖5.2 PLC通信設(shè)置梯形圖</p><p>　　5.3計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)</p><p>　　上位機(jī)的流程

97、圖如下所示：</p><p>　　圖5.3上位機(jī)流程圖</p><p>　　計(jì)算機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)讀寫(xiě)不出或者是錯(cuò)誤的，則會(huì)要求重新發(fā)送。如果寫(xiě)入的數(shù)據(jù)成功，則會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器1，定時(shí)進(jìn)行采樣處理；如果讀入成功，那么接收到的是采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和調(diào)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)字處理，處理完成后將頻率和設(shè)定的壓力值進(jìn)行發(fā)送，開(kāi)啟定時(shí)器2，等待其響應(yīng)。</p><p&g

98、t;　　計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中主要有以下四個(gè)控件，參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、啟動(dòng)和關(guān)閉按鈕。</p><p>　　這些控件的主要功能有：管網(wǎng)壓力的設(shè)定值，對(duì)壓力顯示進(jìn)行校正而設(shè)定的校正系數(shù)，系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)設(shè)定的復(fù)位按鈕。</p><p><b>　　小 結(jié)</b></p><p>　　本論文主要研究的是基于PLC的恒壓變頻供水系統(tǒng)。本文在對(duì)課題進(jìn)行分析和研

99、究的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)該供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路，確定了該系統(tǒng)研究的內(nèi)容和研究的方法。論文分析變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，基本給出恒壓供水的理論模型，確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，提出控制流程以及工作原理。論文討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)以及程序的執(zhí)行，并在這個(gè)基礎(chǔ)上編寫(xiě)了供水系統(tǒng)控制程序，文中在介紹了PID的基礎(chǔ)上，分析利用PID調(diào)節(jié)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程。針對(duì)小區(qū)供水的需求，設(shè)計(jì)了一套由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、多臺(tái)水泵機(jī)組

100、、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并通過(guò)通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)供水系統(tǒng)故障報(bào)警。這種系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)，具有安全可靠、高效、節(jié)能的顯著特點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單操作的同時(shí)，節(jié)約了人力，提高了電能的有效利用，也為小區(qū)供水的衛(wèi)生安全提供了可靠性。</p><p>　　本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　由PLC和一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)工頻輔助泵配合3臺(tái)可

101、工變頻水泵，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵根據(jù)小區(qū)用水情況循環(huán)啟動(dòng)。</p><p>　　PLC和內(nèi)置PID的配合，能有效的調(diào)節(jié)模塊的變頻器，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定。</p><p>　　通過(guò)自動(dòng)工頻運(yùn)行、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作等方式，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的故障處理能力，具有在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程通信報(bào)警。</p><p>　　在PLC和變頻器的調(diào)節(jié)下，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的節(jié)能目標(biāo)。<

102、;/p><p><b>　　[參考文獻(xiàn)]</b></p><p>　　[1]蔡美琴,張為民.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用（第二版）[M].高等教育出版社.2009.1.</p><p>　　[2]顧繩谷,姚守秋.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2008.8.</p><p>　　[3]徐科軍,馬修水,李曉林.傳感

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