畢業(yè)設計---小區(qū)恒壓供水

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題目 小區(qū)恒壓供水</p><p>　　院系名稱 </p><p>　　班 級 </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　答辯教師 </p><p>　　時 間 </p><p><b>　　摘 要&

3、lt;/b></p><p>　　根據(jù)中國城市小區(qū)供水發(fā)展的要求環(huán)保、節(jié)能、恒壓設計了一套PLC與變頻器調(diào)速裝置構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng), 并利用組態(tài)軟件開發(fā)良好的運行管理界面。恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機等構(gòu)成。</p><p>　　以PLC電路控制方式，在分析水壓控制的工作流程的基礎(chǔ)上，給出了PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。智能水壓控制系統(tǒng)

4、的基本控制策略是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器（PLC）構(gòu)成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制，完成供水壓力恒定控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設定的水壓力值與反饋的總壓力實際值進行比較，其差值輸入變頻器運處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的頻率和電壓進行調(diào)速。實現(xiàn)了最終的恒壓供水的目的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速，恒壓供水，PLC，組態(tài)軟件

5、</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　According to Chinese city district water supply the requirements of the development of environmental protection, energy saving, constant pressure d

6、esigned a set of PLC and inverter speed device consisting of constant pressure water supply system, and by using the configuration software development good operation management interface. Constant pressure water supply

7、system consists of PLC, frequency converter, pump unit, pressure sensor, industrial PC, etc. </p><p>　　With PLC control circuits way, on the analysis of the working process of the hydraulic control was given

8、 based on PLC control system and the design of hardware and software. Intelligent hydraulic control system of basic control strategy is: by motor speed device with programmable controller (PLC) constitutes control system

9、, optimization control, complete supply pressure pipeline flow control, the constant change to stabilize supply pressure and saving energy purposes. System control target was p</p><p>　　Keywords: frequency c

10、ontrol, constant pressure water supply, PLC, configuration software </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的提出1</p><p>　　1.2

11、變頻器國內(nèi)外研究與PLC概述5</p><p>　　1.4 本課題的主要研究內(nèi)容6</p><p>　　2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定8</p><p>　　2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析8</p><p>　　2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定9</p><p>　　3 系統(tǒng)的硬件設計17<

12、;/p><p>　　3.1 系統(tǒng)主要設備的選型17</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設計17</p><p>　　3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設計19</p><p>　　3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖22</p><p>　　4 PLC程序設計…………………………………………………………

13、…………26</p><p><b>　　6 結(jié)束語31</b></p><p><b>　　參考文獻33</b></p><p><b>　　致謝35</b></p><p>　　附錄A 主程序梯形圖6.</p><p><b>　　

14、1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題的提出</b></p><p>　　長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天面水池來滿足用戶對供水壓力的要求。傳統(tǒng)的恒壓供水方式是采用水塔、高位水池等設施來實現(xiàn)，由于小區(qū)高樓用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥的開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，

15、大量的能量因為消耗在出口閥而浪費，而且水池和水塔由于長時間的使用存在“二次污染”的問題</p><p>　　在人們對生活用水品質(zhì)要求的不斷提高，在節(jié)水節(jié)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，在我們這個水資源和電能源短缺的國家，而隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的不斷深入，城市中各類小區(qū)建設發(fā)展十分迅速，同時也對小區(qū)的基礎(chǔ)設施建設提出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設是其中的一個重要方面，供水

16、的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性直接影響到小區(qū)住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)供水系統(tǒng)一般是以下方式進行供水以及各方式的優(yōu)缺點：</p><p>　　(1) 恒速泵加壓供水方式無法對供水管網(wǎng)的壓力做出及時的反應，水泵的增減都依賴人工進行手工操作，自動化程度低，而且為保證供水，機組常處于滿負荷運行，不但效率低、耗電量大，而且在用水量較少時，管網(wǎng)長期

17、處于超壓運行狀態(tài)，爆損現(xiàn)象嚴重，電機硬起動易產(chǎn)生水錘效應，破壞性大，目前較少采用。</p><p>　　(2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設備要求較高、系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。</p><p>　　(

18、3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運行經(jīng)濟合理、短時間維修或停電可不停水等優(yōu)點，但存在基建投資大，占地面積大，維護不方便，水泵電機為硬起動，啟動電流大等缺點，頻繁起動易損壞聯(lián)軸器，目前主要應用于高層建筑。</p><p>　　(4) 液力耦合器和電池滑差離合器調(diào)速的供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩，只能是一對一驅(qū)動，需經(jīng)常檢修；優(yōu)點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單明了，維修方便。</p>&l

19、t;p>　　(5) 單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面4種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。</p><p>　　在目前節(jié)能節(jié)水、環(huán)保低碳的社會背景下，我們由此可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的供水方式普遍不同程度的存在浪費水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。<

20、;/p><p>　　隨著變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式，在風機、水泵、空氣壓縮機、制冷壓縮機等高能耗設備上廣泛應用，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機時能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機自身的機械沖擊損耗。</p><p>　　基于

21、PLC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗、實現(xiàn)低碳社會等方面具有重要的現(xiàn)實意義。</p><p>　　1.2變頻器恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　1.

22、2.1國外</b></p><p>　　電力電子器件的研究現(xiàn)狀</p><p>　　從1956年普通晶閘管的問世到20世紀80年代以前，以晶閘管為核心的交交變頻電路廣泛的應用電機的傳動系統(tǒng)，典型的應用電路就是傳統(tǒng)的相控交交變頻電路。國內(nèi)外在這一方面的理論研究都比較成熟，而且也有相應的產(chǎn)品大量應用于生產(chǎn)實踐。隨著技術(shù)的進步，晶閘管的半控特性，控制電路的分離結(jié)構(gòu)，相控角變化等缺點已

23、經(jīng)使晶閘管為核心的交交變頻電路不能滿足變頻技術(shù)發(fā)展的需要。到20世紀80年代，各種全控器件先后問世，變頻技術(shù)特別是交流調(diào)速技術(shù)得到了長足的發(fā)展。特別是80年代中期以后基于GTR、GTO和IGBT的變頻裝置在性能和價格上可以和直流調(diào)速裝置相媲美，逐漸成為變頻調(diào)速的主流技術(shù)。20世紀90年代后期至今，電力電子器件的發(fā)展進入了一個新的時代，高壓IGBT、IGCT、IEGT和SGCT等器件出現(xiàn)并進入了實用化階段，從而推動變頻技術(shù)向大電流、高電壓

24、、高頻化方向繼續(xù)發(fā)展。</p><p>　　控制理論和控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　1964年德國人首先提出把通信技術(shù)中的脈寬調(diào)制PWM技術(shù)應用到交流傳動中，PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一，由于電力電子器件和微機控制技術(shù)的發(fā)展，PWM變頻技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓及抑制諧波的特點，由此在交流傳動乃至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。</p&g

25、t;<p>　　20世紀80年代初，日本學者提出了基于磁通軌跡的磁通軌跡控制方法，該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電動機氣息的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成兩相調(diào)制波形，使變壓變頻(VVVF)成為變頻調(diào)速技術(shù)的核心。</p><p>　　七十年代初，矢量控制是由西德F.Biasschke等人首先提出，他以直流電動機和交流電動機比較的方法分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直

26、流電動機控制的先河。1980年，德國人在應用微處理器的矢量控制研究中取得了進展，促進了矢量控制的實用化。</p><p>　　1985年德魯爾大學Depenbrock教授首先提出轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡稱DTC)。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制。最初，主要在高壓、大功率且開關(guān)頻率較低的逆變器控制中廣泛應用。目前

27、被應用于通用變頓器的控制方法是一種改進的、適合于高開關(guān)頻率逆變器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為其各系列通用變頻器的核心技術(shù)。</p><p>　　主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　主電路拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)交交直接變頻到交直交變頻再到矩陣交交變頻的過程。首先是傳統(tǒng)的交交變頻電路也稱為周波變流器，這種電路早在20世紀70年代就已經(jīng)

28、出現(xiàn)了，隨著晶閘管的問世逐漸應用于電機的拖動。20世紀80年代，隨著新型全控功率元件的出現(xiàn)和先進控制技術(shù)的運用，交直交變頻技術(shù)得到快速發(fā)展并大規(guī)模應用于變頻調(diào)速場合。這一時期的變頻技術(shù)包括VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻等都是交直交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流回路需要大的儲能電容，變換環(huán)節(jié)多，效率低下，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進行四象限運行。</p><p>　　

29、近幾年來，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)約電能的要求，以及微型計算機控制技術(shù)與大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展和廣泛應用，矩陣交交變頻技術(shù)成為研究的新熱點。矩陣交交變換電路的電路拓撲形式早己提出，但直到1979年，意大利學者MVenturini提出的矩陣交交變換電路理論及其控制策略后才使人們開始這方面的真正研究。90年代初，美國弗吉尼亞電力電子中心的L.Huber、D.Borojevie在Fred.C. Lee教授的帶領(lǐng)下，采用MOSFET作為功率開關(guān)

30、，制作出輸出電壓和輸入電流都為正弦波、開關(guān)頻率20Khz、負載為2KVA的矩陣變換器的實驗裝置。隨后的十幾年里先后有多位學者在這方面取得進展，比如由R.W. Erickson等學者提出了一種新型的矩陣交交變換電路拓撲結(jié)構(gòu)，和以前所提出的拓撲結(jié)構(gòu)不同在于采用了H橋型的開關(guān)單元，目的是為了實現(xiàn)矩陣變換器的輸出電壓可以任意調(diào)節(jié)；由Lixiang Wei和T.A.Lipo等提出的一種稀疏矩陣變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點是減少了開關(guān)數(shù)量。我國在矩陣

31、變換器方面的研究開始于90年代初，南京航空航天大學、上海大學、哈爾濱工業(yè)大學、福州大學、華中科技大學、浙江大學、清華大學</p><p><b>　　1.2.1國內(nèi)</b></p><p>　　從 1965年就開始研究可控硅變頻器，上世紀 80年代初，天津電氣傳動所（電壓型）、西安電力電子技術(shù)所（電源型）等研究所專心研制 SCR變頻器并探索市場。與此同時，國內(nèi)許多高等

32、學校和研究院所積極開發(fā) GTR變頻器，并紛紛將技術(shù)轉(zhuǎn)讓企業(yè)生產(chǎn)，但由于企業(yè)規(guī)模小，沒有自動化生產(chǎn)線，僅靠手工焊板，無法生產(chǎn)出高精度高可靠性的變頻器。有些國營大廠，如大連電機廠從日本東芝引進了 GTR變頻器的生產(chǎn)線，雖經(jīng)努力，最終未能形成國產(chǎn)變頻器的支柱力量。</p><p>　　知道變頻器的人都知道普傳變頻器，臺灣普傳剛到大陸時，國內(nèi)極少有自有品牌，幾乎全部使用境外品牌，普傳變頻器當時因為技術(shù)先進，且價格遠低于海

33、外品牌，受到普遍歡迎。從 1990年開始，普傳先后在西安、深圳、南京、昆明、北京、包頭等地興辦了十幾家生產(chǎn)變頻器的合資企業(yè)，創(chuàng)造了聞名海內(nèi)外的普傳系列變頻器品牌，從此打破了歐美及日本變頻器產(chǎn)品在中國大陸市場的壟斷局面，也揭開了變頻器產(chǎn)品國產(chǎn)化的序幕。普傳對國產(chǎn)品牌最大的貢獻是培養(yǎng)了一批變頻器業(yè)界的人才，他們中的很多各自創(chuàng)辦了多家變頻器生產(chǎn)廠家。今天國內(nèi)變頻器產(chǎn)品能在市場份額上與歐美及日本產(chǎn)品同臺競技，普傳有著很大的功勞。進入 21世紀，

34、國產(chǎn)變頻器得到了前所未有的發(fā)展，國產(chǎn)變頻企業(yè)由 96年底不到 50家，到如今已超過 100多家。象征高性能技術(shù)的無速度控制技術(shù)也已廣泛應用在國產(chǎn)主流變頻器中，深圳市藍海華騰技術(shù)有限公司擁有與國際最領(lǐng)先技術(shù)水準同步的矢量控制技術(shù)和轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，而實現(xiàn)開環(huán)轉(zhuǎn)矩控制（無編碼器反饋）更是開中國之先河。 </p><p>　　10年來，我國變頻器雖然遍地開花，但變頻器的核心—— IGBT器件始終依賴進口，成為制約國產(chǎn)變頻器

35、發(fā)展的瓶頸。直到最近，實現(xiàn)國產(chǎn) IGBT的曙光開始出現(xiàn)，信息產(chǎn)業(yè)部電子信息產(chǎn)品管理司已經(jīng)把發(fā)展全控型電力電子器件納入工作計劃，已有多位在國外有豐富研制 IGBT經(jīng)驗的專家回國辦廠，國內(nèi)生產(chǎn)集成電路多年、具有精細加工能力的企業(yè)已經(jīng)具備 IGBT和 MOSFET的流片技術(shù)，只要有合理的政策出臺，群策群力，就可為國內(nèi) </p><p>　　IGBT的設計和生產(chǎn)掃清最后的障礙。</p><p>&

36、lt;b>　　1.2PLC概述</b></p><p>　　1.2.1 可編程控制器的定義</p><p>　　可編程控制器，簡稱PLC(Programmable logic Controller)，是指以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的PLC標準草案中對PLC做了

37、如下定義:“PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC及其有關(guān)的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。”</p><p>　　1.2.2 PLC的發(fā)展和應用</p>

38、<p>　　世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數(shù)字設備公司(DEC)研制的。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數(shù)功能。20世紀70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器

39、電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言[5] ，并將參加運算及處理的計算機存儲組件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀70年代中末期，可編程控制器進入實用化發(fā)展階段，計算機技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用

40、。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國家日益增多，產(chǎn)量日益上升</p><p>　　1.3 本課題的主要研究內(nèi)容</p><p>　　本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術(shù)相結(jié)合技術(shù)，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的

41、運行工況。</p><p>　　PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設計中有3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換

42、遵循先起先停、先停先起原則。</p><p>　　2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定</p><p>　　2.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析</p><p>　　2.1.1 電動機的調(diào)速原理</p><p>　　水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉(zhuǎn)速公式為：</p><p><b>　　(2.1) </b

43、></p><p>　　式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。</p><p>　　從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有：</p><p>　　(l) 改變電源頻率</p><p>　　(2) 改變電機極對數(shù)</p><p><b>　　(3) 改變轉(zhuǎn)差率</b><

44、/p><p>　　改變電機極對數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗[7]，且成本高而影響它的推廣價值。下面重點分析改

45、變電源頻率調(diào)速的方法及特點。</p><p>　　根據(jù)公式可知，當轉(zhuǎn)差率變化不大時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進了變頻調(diào)速的廣泛應用。</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電

46、動機、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。</p><p>　　2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定</p><p>　　2.2.1控制方案的比較和確定<

47、;/p><p>　　恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇[8]：</p><p>　　(1) 有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳

48、感器</p><p>　　這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，PID調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據(jù)通信困難，并且限制了

49、帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。</p><p>　　(2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器</p><p>　　這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措

50、施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。</p><p>　　(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器</p><p>　　這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，通用性強；由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置

51、和I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關(guān)。</p><p>　　通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制

52、精度的要求。</p><p>　　2.2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖</p><p>　　PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、PLC、傳感器和現(xiàn)場的水泵機組一起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2.3所示：</p><p>　　圖2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖</p><p>　　從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機

53、構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分。</p><p>　　根據(jù)水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當這臺水泵運行在50H

54、z時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運行前可以選擇，本設計中采用前者。</p><p>　　作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、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行監(jiān)測，由PLC判斷報

55、警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)的硬件設計</b></p><p>　　3.1 系統(tǒng)主要設備的選型</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)的電氣控制總框圖</p><p>　　該系統(tǒng)的主要硬件設備應包括以下幾部分：(1) PLC (2) 變頻器、(3) 水泵機組、(

56、4) 壓力傳感器</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主電路分析及其設計</p><p>　　基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.2所示：三臺電機分別為M1、M2、M3，它們分別帶動水泵1#、2#、3#。接觸器KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3的變頻運行；FR1、FR2、FR3分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼

57、電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺水泵電機主電路的隔離開關(guān)；FU為主電路的熔斷器。</p><p>　　本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵工頻運行或停止，根據(jù)每天的不同時間用水量的不同所以會進行工變轉(zhuǎn)換，本設計是1變——1工2變——2變——2工3變——3變——3工1變循環(huán)運轉(zhuǎn)，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此在同一

58、時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)三臺水泵都可輪流做變頻泵。</p><p>　　圖3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖</p><p>　　三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的R、S、T端，變頻器的輸出端U、V、W通過接觸器的觸點接至電機。當電機工頻運行時，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運行的接觸器和隔離開關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，

59、同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應的熱繼電器FR實現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6絕對不能同時動作，相互之間必須在PLC里設計可靠的互鎖。</p><p&

60、gt;　　3.3 系統(tǒng)控制電路分析及其設計</p><p>　　系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設備是PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。</p><p>　　PLC主要是用于實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制三臺水泵的投入運行；能在三臺水泵之間實現(xiàn)變頻泵的切換；三臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動/自動控制功能，手動只在應急

61、或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運行狀況。</p><p>　　如圖3.3為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA打在1的位置為手動控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運行時，可用按鈕SB1~SB6控制三臺水泵的啟/停；自動運行時，系統(tǒng)在PLC程序控制下運行。</p><p>　　圖中的HL10為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進行復位是只提供一個

62、干觸發(fā)點信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。</p><p>　　圖3.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖</p><p>　　注：PLC各I/O端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié)I/O端口分配中將詳細介紹。</p><p>　　本系統(tǒng)在手動/自動控制下的運行過程如下：</p><p>　　(1) 手動控制：手動控制只在檢

63、查故障原因時才會用到，于電機故障的檢測與維修。旋轉(zhuǎn)開關(guān)SA打至1端時開啟手動控制模式，臨時選用2臺電機進行備用供水。</p><p>　?。?）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。單刀雙擲開關(guān)SA打至2端時開啟自動控制模式，自動控制的工作狀況由PLC程序控制。</p><p>　　3.4 PLC的I/O端口分配及外圍接線圖</p><p>　　表

64、3.2 輸入輸出點代碼及地址編號</p><p><b>　　4 PLC程序設計</b></p><p>　　4.2.1控制系統(tǒng)主程序設計</p><p>　　PLC主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、模擬量(壓力、頻率)比較計算程序和報警程序等構(gòu)成。</p><p&g

65、t;<b>　　系統(tǒng)初始化程序</b></p><p>　　在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對變頻器變頻運行的上下限頻率、PID控制的各參數(shù)進行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進行中斷連接。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。在初始化后緊接著要設定白天/夜間兩種供水

66、模式下的水壓給定值以及變頻泵泵號和工頻泵投入臺數(shù)。</p><p>　　增、減泵判斷和相應操作程序</p><p>　　當PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵穩(wěn)定運行時，定時器計時5min（以便消除水壓波動的干擾）后執(zhí)行工頻泵臺數(shù)加一（或減一）操作，并產(chǎn)生相應的泵變頻啟動脈沖信號。</p><p>　　(3) 水泵的軟啟動程序&

67、lt;/p><p>　　增減泵或倒泵時復位變頻器為軟啟動做準備，同時變頻泵號加一，并產(chǎn)生當前泵工頻啟動脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動脈沖信號，延時后啟動運行。</p><p>　　當只有一臺變頻泵長時間運行時，對連續(xù)運行時間進行判斷，超過3h則自動倒泵變頻運行。</p><p>　　(4) 各水泵變頻運行控制邏輯程序</p><p>　　各水泵變頻

68、運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。當?shù)谝淮紊想?、故障消除或者產(chǎn)生1#泵變頻啟動脈沖信號并且系統(tǒng)無故障產(chǎn)生、未產(chǎn)生復位1#水泵變頻運行信號、1#泵未工作在工頻狀態(tài)時，Q0.1置1，KM2常開觸點閉合接通變頻器，使1#水泵變頻運行，同時KM2常閉觸點打開防止KM1線圈得電，從而在變頻和工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM2的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。</p><p>　　(5) 各水泵工頻運行控制

69、邏輯程序</p><p>　　水泵的工頻運行不但取決于變頻泵的泵號，還取決于工頻泵的臺數(shù)。由于各水泵工頻運行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以1#水泵為例進行說明。產(chǎn)生當前泵工頻運行啟動脈沖后，若當前2#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于0，或者當前3#泵處于變頻運行狀態(tài)且工頻泵數(shù)大于1，則Q0.0置1，KM1線圈得電，使得KM1常開觸點閉合，1#水泵工頻運行，同時KM1常閉觸點打開防止KM2線圈得電，從而實現(xiàn)變頻和

70、工頻之間實現(xiàn)良好的電氣互鎖，KM1的常開觸點還可實現(xiàn)自鎖功能。</p><p>　　(6) 報警及故障處理程序</p><p>　　本系統(tǒng)中包括水池水位越限報警指示燈、變頻器故障報警指示燈白天模式運行指示燈以及報警電鈴。當故障信號產(chǎn)生時，相應的指示燈會出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時報警電鈴響起。而試燈按鈕按下時，各指示燈會一直點亮。</p><p>　　故障發(fā)生后重新設定變頻

71、泵號和工頻泵運行臺數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號。</p><p>　　本設計主程序大體包括以下幾部分：</p><p>　　(1) 調(diào)用初始化子程序，設定各初始值；</p><p>　　(2) 根據(jù)增、減泵條件確定工頻泵運行數(shù)；</p><p>　　(3) 根據(jù)增泵、倒泵情況確定變頻泵號；</p><p>　　

72、(4) 通過工頻泵數(shù)和變頻泵號對各泵運行情況進行控制；</p><p><b>　　6 結(jié)束語</b></p><p>　　本文針對城市小區(qū)供水的特點，設計開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單臺變頻器實現(xiàn)多臺水泵電機的軟起動和調(diào)速，摒棄了原有的自耦降壓起動裝置，同時把水泵電機控制納入自動控制系統(tǒng)。壓力變送器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)PID處理傳送給變頻

73、器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、全自動控制、無二次污染等優(yōu)點。而且變頻器可以節(jié)約30%的能源，在這個低碳的時代具有重要的意義。</p><p>　　通過本次畢業(yè)設計，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。在提高自己的同時，我也更加清楚的認識到自己的一些不足之處。比如

74、：在硬件設備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學，以及向老師、同學們請教，我對這些知識有了更深入的理解。通過這半年的實踐和學習，我學到了很多課本中無法涉及到的知識，體會到了工程設計的復雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為即將開始的研究生生活打下了堅實的基礎(chǔ)。在以后的學習和生活中，我會不斷的提高、充實自己，爭取獲得更大的成績。</p><p>&l

75、t;b>　　參考文獻</b></p><p>　　1.崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討[J],蘭州鐵道學院學報,2000,1:84-88</p><p>　　2.張燕賓.變頻調(diào)速應用實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002,135-137</p><p>　　3.金傳偉,毛宗源.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應用[J],電子技術(shù)應

76、用,2000,2:38-39</p><p>　　4.張燕賓.SPWM變頻調(diào)速應用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002,244-251</p><p>　　6.廖常初.PLC編程及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008,14-16</p><p>　　7.胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998,316-317</p>

77、<p>　　8.馬桂梅,譚光儀,陳次昌.泵變頻調(diào)速時的節(jié)能方案討論[J],四川工業(yè)學院學報,2003,3:5-7</p><p>　　9.林俊贊,李雄松,尹元日.PLC在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應用[J],電機電器技術(shù),1999,3:45-48</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　首先衷心的感謝我的論文指導老師*

78、**老師。在我做畢業(yè)設計的過程中得到了*老師的悉心指導。從設計的開始到論文的定稿，整個過程處處凝結(jié)著老師的心血。*老師淵博的學識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，務實的工作作風都深深地影響著我，并將成為我以后學習和工作的榜樣。在此謹向*老師表示最衷心的感謝。</p><p>　　在這半年的畢業(yè)設計的過程中，我還得到了本組同學、本班同學的大力幫助，我們一起學習，一起探討問題、解決問題。當我遇到困難時，他們給了我許多好的建議和無私的