基于PLC的变频恒压供水系统的设计论文.pdf

摘要传统的供水系统存在着占地面积大、建设费用高、管理维护复杂困难、供水质 量低下等缺点和不足。为了解决这些问题,本文采用尸。控制技术和变频调速技术 相结合的方法来研究恒压供水系统,该系统与现场液位传感器、压传感器起组 成了两个独立的闭环控制子系统。设计好的系统每天24小时不间断按预先设定的水 压恒定地向城市供水,保证了水厂的不间断生产。通过该项目的研制和应川,不仅能够节约宝贵的水、电资源,降低了生产成本,减少设备维护,降低维修成本;而且提高了整个水厂的生产调度管理水平,减轻 人劳动强度,有效的提高了生产率。关键字:恒压供水,尸/。控制,变频器,PLCABSTRACTTraditional water supply system has the shortages including occupying wide surface area、high expenses、management complex and difficult、water pollution again,and so on.In order to solve these problems,this paper combines PLC control technology and transducer technology to research constant pressure water supply system.Two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor.The finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce.With the research and use of this project,we can save large sum of precious water、electrical source,and decrease the produce price,reduce device management and lessen repair price.Moreover,this system also can improve the lever of produce and management,lighten the work s strength,and increase the productivity.Key Words:constant water supply system,PID control transducer,PLC目录第1章绪论.11.1 采用恒压供水系统的目的和意义12、人.11.2 恒压供水的特点.11.2.1 恒压供水方式讨论.11.2.2 恒压供水的实现.21.3 现行高楼供水的模式回.21.3.1 恒速泵供水.21.3.2 高位水箱供水.21.3.3 气压罐供水.31.4 毕业设计的主要任务.3第2章 变频调速恒压供水分析.42.1 变频恒压供水的工艺调节过程介绍.42.2 调速系统的构建3-29.42.2.1 调速原理.42.2.2 恒压供水系统的组成.52.2.3 调节系统的计算方法心.52.2.4 变频恒压供水频率变化分析.72.3 节能分析.82.3.1 水泵的基本参数和特性.此36,3土.82.3.2 水泵调速运行的节能原理.11第3章 恒压供水系统.133.1 系统概述削.133.2 控制系统的组成.133.2.1 供水系统的组成.133.2.2 系统功能说明.133.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理.143.3.1 恒压供水系统的工作原理.143.3.2 调速泵系统构成.143.4 变频器.143.4.1 变频器输入输出接口.143.4.2 变频器外围设备的选择及保养.153.5 变频调速恒压供水系统的特点.16第4章 可编程控制器PLC.174.1 尸。的定义20-22.174.2 PLC的发展阶段及发展方向.174.3 PLC的特点与应用领域.184.3.1 可编程序控制器的特点.184.3.2 可编程序控制器与继电器控制系统的比较.194.3.3 可编程序控制器的应用领域.194.3.4 PLC在现代自动控制系统应用中所面临的问题.204.4 我国常用PLC的性能比较研究.204.4.1 尸。的一般结构.20in4.4.2 PLC基本工作原理.224.5 我国常用PLC的性能特点.234.5.1 SIMATIC S7 系列 PLC.234.5.2 S7-200系列可编程序控制器.234.5.3 PLC控制系统设计内容.244.5.4 PLC控制系统设计步骤.244.5.5 PLC控制系统的硬件设计.254.6 PLC控制系统的软件设计.264.6.1 PLC软件设计概述.264.6.2 软件设计.274.6.3 尸。程序设计的常用方法.284.6.4 PLC程序设计步骤.29第5章PLC控制系统的设计.315.1 概述.315.2 PLC输入输出/。分配.315.2.1 输入口.315.2.2 输出口.315.2.3 辅助触点.315.3 PLC控制系统功能介绍.325.4 恒压供水系统尸。的流程图.335.5 尸。控制系统的可靠性及应用程序设计.345.5.1 尸。程序的优化设计.345.5.2 应用程序的设计.355.5.3 故障检测程序的设计.37第6章系统调试.386.1 变频器关键参数的设定.386.2 尸。的调试.38致谢.43IV第1章绪论1.I 采用恒压供水系统的目的和意义 2、7、叩随着社会经济的飞速发展,城市建设规模的不断扩大,人口的增多以及人们生 活水平的不断提高,对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我 国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后,机组的控制主要依赖值 班人员的手工操作。控制过程繁琐,而且手动控制无法对供水管网的压和水位变 化及时做出恰当的反应。为了保证供水,机组通常处于超压状态运行,不但效率低、耗电量大,而且城市管网长期处于超压运行状态,曝损也十分严重。本文从我国 中小城市供水厂的现状出发,设计了一套基于尸。的变频调速恒压供水系统。1.2 恒压供水的特点恒压供水是指川户段不管川水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可 满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。1.2.I 恒压供水方式讨论水泵多配用交流异步电机拖动,当电机转速降低时,既可节约能量,经济效益 十分显著。由异步电动机的转速公式:n=no(l S)=60.(l-S)(IT)P式中:0:异步电动机的同步转速n:异步电动机转子的转速p:电动机的磁极对数f:电源频率,电动机定子电压频率s:转速差:5=见X10O%(1-2)n因此改变,电动机极对数p、改变转速差s及改变电源频率/都可以改变转速。变级对数调速在电源频率一定的情况下,电动机的同步转速与极对数成反比,改变电动机极 对数,就可以改变转速。通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数以电动机相 绕组为例,电流方向都是一致的,只要改变定子绕组的连接方法,就可以成倍地改 变磁极对数P。如果使p=l,2,3等,就可以得到=3000,1500,1000min等不同的 同步转速,从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单,投资省,节能效果 显著,效率高,但需要专门的变极电机,是有极调速,而且级差比较大,只适用于 特定转速的生产机器。变频调速变频凋速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电,然后供给电 1动机,使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转 速,相应地也就改变转子转速,而转差率S可保持不变或很小。但对电动机来 说,定子频率改变后,其运行影响,如果电压不变,频率增加时,磁通减少,电动 机转矩下降,严重时会使电机堵转:频率增减少,磁通增加,会使磁路饱和,励磁 电流上升,导致铁芯损失急居增加而发热,是不允许的。因此,在实用上,要求调 频的同时,改变定子电压,保持磁通基本不变,既不使铁芯发热,又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种:交一直一交变频器。交一交变频器。交一直一交变频器它是由三个环节组成:可控硅整流电路,其作用是将电压,定频率的交流电路 变为电压可调的直流电:可控硅逆变电路,其作用是将整流电路输出的直流电变换 为频率可调的交流电:滤波环节,它在整流电路和逆变电路之间,一般是利用无电 源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交一直一交变频器中,根据滤波方式不同,又有电压型变频器和电流型变频 器。近年来,由于电电子器件和微机控制技术的发展,脉冲宽度调制型（简称 PWM）变频器技术获得了飞速的发展。PWM交频器也有电压型和电流型两种,目前 以电压为主,由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器 输出电压,而且具有抑制谐波功能,是种比较理想的方式。交一交变频器它是由两组反并联的整流电路组成,直接将电网的交流电通过交频电路同时调 节电压和频率,变成电压和频率可调的交流电输出。交一交变频器由于直接交换,减少换流电路,减少损耗,效率高,波型好。但 调速范围小,控制线路复杂,功率因数低,目前较少采用。变频技术对水泵电动机进行调速,以获得优良的运行特性和明显的节能效果,是目前常用的技术。1.2.2 恒压供水的实现恒压供水是指用户段不管用水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可 满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。而变频调速是指靠改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。在变频调速 恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率/来改变电机的转速。改变水泵的 转速,可以使水泵性能曲线改変,达到调节水泵况目的。1.3 现行高楼供水的模式现1.3.1 恒速泵供水恒速运行时,一般采用节流调节,这种方式的缺点是效率低、能耗大。也就是 依靠阀门来控制供水量。1.3.2 高位水箱供水采用电流及电压的相位大小等变化特性对高位水箱泵组进行控制。供水系统利 2用高位水箱及地下水池的水位变化来自动启闭水泵,以向各水箱供水。改供水方式 可控性差。1.3.3 气压罐供水气压供水设备是利川压缩空气的涨将水送往川水点的通用供水设备。气压供 水整套设备高压密封,没有外部污染,内部不长青苔。并且供水压力可以根据需要 很方便地在控制器上进行调整,不象高位水箱当放置的高度确定后,水压就已确定,无法调整。但是气压供水能耗大,且控制水压能力有限,不如水泵供水的压控制。1.4 毕业设计的主要任务随着变频调速技术的发展,变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,变频恒压供水已广泛应用于厂矿企业及生活、消防等供水系统。S7-200尸厶。控制的变频调速恒压供水系统采用变频调速方式自动完成泵组软 启动及无冲击切换,自动调节水泵电机转速,改变以往“先启后停”方式,使水压 平稳过渡。采用硬件/软件备用及时钟控制功能,使各泵进行轮休,延长设备的机械 使用寿命。变频器故障时系统仍可运行,保证不间断供水。3第2章变频调速恒压供水分析2.1 变频恒压供水的工艺调节过程介绍泵组的切换开始时,若硬件、软件皆无备川（两者同时有效时硬件优先）,泵 变频启动,转速从。开始随频率上升,如变频器频率到达50Hz,而此时水压还在下 限值,延时一段时间（由尸。内部时间继电器控制,目的是避免由于干扰而引起误 动作）后,1#泵切换至频运行,同时变频器频率由50Hz滑停至0*,2#泵变频启 动,如水压仍不满足,则依次启动3井、4#泵;若开始时泵备用,则直接启2#变 频,转速从开始随频率上升,如变频器频率到达50&,而此时水压还在下限值,延时一段时间后,2#泵切换至频运行,同时变频器频率由50Hz滑停至。Hz,3#泵变频启动,如水压仍不满足,则启动4#泵;若1#、2#泵都备用,则直接启3#变 频,具体泵的切换过程与上述类同。同样,如水压在上限值,若3台泵（假设为1#、2#和3#）运行时,3#泵变频运 行降到。见,此时水压仍处于上限值,则延时一段时间后使 泵停止,3#泵变频 器频率从。伝 迅速上升,若此后水压仍处于上限值,则延时一段时间后使2#泵停 止。这样的切换过程,有效地减少泵的频繁启停,同时在实际管网对水压波动做出 反应之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过渡。以往的变频恒压供水系统在水压 高时,通常是采用停变频泵,再将变频器以工频运行方式切换到正在以频运行的 泵上进行调节。这种切换的方式,理论上要比直接切工频的方式先进,但其容易引 起泵组的频繁启停,从而减少设备的使用寿命。而我们这次的设计的系统中,要求 直接停工频泵,同时由变频器迅速调节,只要参数设置合适,即可实现泵组的无冲 击切换,使水压过渡平稳,有效的防止水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水 现象,提高供水品质。2.2 调速系统的构建磔码(2-1)(2-2)(2-3)2.2.1 调速原理异步电动机定子三相对称绕组空间相隔!20,当通以三相对称电流时,产生 旋转磁场,旋转磁场的转速,即同步转速为:60fi m-P 异步电动机的转差率为:（ni-n）s=-6。（1 s）n-mil-s）=-P式中:4z:定子绕组电源频率P:磁场极对数S:转差率nx:同步转速(r/min)n:异步电动机转速(r/min)2.2.2 恒压供水系统的组成变频恒压供水系统原理如图2-1所示,它主要是由S7-200PZT(包括块模拟 量扩展模块N235)、变频器、压传感器、液位传感器、动控制线路以及若干 台水泵等组成。通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统的运行。图2供水系统组成2.2.3 调节系统的计算方法必、尸/o算法:尸厶。内设定了一个尸/算法,所有泵的自动切换,变频器的工作全部依赖这个 PIDOPID原理尸/算法控制原则基于以下公式:M(t)=KCxe+KC edt+Minitial+KCx-输出比例项+积分项+微分项(2-4)式中:M(r)：作为时间函数的冋路输出Td：冋路增益E：冋路错误(设定值和进程变量之间的差别)Minitial：冋路输出的初始值为了在数字计算机中运行该控制函数,必须将连续函数量化为错误值的定期样 5本,并随后计算输出。数字计算机运算以下列相应的公式为基础:M KC X Cn+KI X):Minitial+KD X n-1)(25)输出比例项+积分项+微分项式中:Mn：采样时间的冋路输出计算值KC：冋路增益en：采样时间的回路错误值en-1：冋路错误的前个数值(在采样时间1)KI:积分项的比例常数：微分项的比例常数KD:微分项的比例常数在该公式中,积分项被显示为全部错误项的函数,从第一个样本至当前样本。微分项是当前样本和前一个样本的函数,而比例项仅是当前样本的函数。在数字计 算机中,既不可能也没有必要存储所有的错误项样本。因为从第一个样本开始,每次对错误采样时数字计算机都必须计算输出值,因 此仅需存储前个错误值和前一个积分项数值。由于数字计算机计算结果的重复性,可在任何采样时间对公式进行简化。简化后的公式为:Mn=KCxen+KIxMX+KDx(en-en-i)(26)输出比例项+积分项+微分项式中:Mn：采样时间的冋路输出计算值KC：冋路增益en：采样时间的回路错误值en-1：冋路错误的前一个数值(采样时间1)KI：积分项的比例常数MX:积分项的前一个数值(采样时间1)KD：微分项的比例常数计算冋路输出值时,。尸。使用对上述简化公式的修改格式。修改后的公式为:Mn=MPn+ML+MDn(2-7)输出比例项+积分项+微分项式中:Mn：采样时间的冋路输出计算值MPn：采样时间的冋路输出比例项数值Mln：采样时间的冋路输出积分项数值MDn：采样时间的冋路输出微分项数值比例项比例项M尸是增益KC和错误(e)的乘积,其中增益控制输出计算的敏感度,错误是在某特定采样时间设定值(S尸)和进程变量(尸V)之间的差。尸采 用的计算比例项的公式为:MP=Kcx(SPn-PVn)(2-8)式中:MP：采样时间的冋路输出比例项数值Kc：冋路增益6SPn：采样时间的设定值数值PVn：采样时间n的进程变量数值积分项积分项MI在时间上与错误(e)和成比例。尸。采用的积分项公式为:TsMIn=Kcx-x(SPn-PVn)+MX(2-9)式中:Mln：采样时间的冋路输出积分项数值Kc：冋路增益Ts：冋路采样时间Ti：积分时间(亦称为积分时间或复原)SPn：采样时间的设定值数值PVn：采样时间n的进程变量数值MX：采样时间1的积分项数值(亦称为积分和或偏差)积分和或偏差(MX)是积分项所有先前数值的运行和。每次计算后,根 据“的数值更新偏差,该数值可能被调节或截取(详情请参阅变量和范围节)。偏差的初始值通常被设为第一次冋路输出计算之前的输出值。其他几个常数也是积 分项的一部分,例如增益Kc、采样时间小(即尸/冋路重新计算输出值的循环时 间)以及积分时间或复原刀(即用于控制积分项对输出计算影响的时间)。微分项微分项加与错误变化成比例。计算微分项的公式为:MD=Kcxx(SPn-PVn)-(SPn-PVn)(2-10)Ts为了避免步骤改变或由于对设定值变化求导带来的输出变化,对该公式进行修改,假定设定值为常数SPn=SPn-1 如下所示,会导致计算进程变量的变化,而不计 算错误的变化:MDn=Kcxx(SPn-PVn-SPn+PVn-1)(2-11)Ts或者MDn=Kc xx(PVn-1-PVn)(2-12)Ts MDn：采样时间的冋路输出微分项数值 Kc：冋路增益 Ts:冋路米样时间Td：冋路微分阶段(亦称为微分时间或速率)SPn：采样时间的设定值数值SPn-i：采样时间1的设定值数值PVn：采样时间1的进程变量数值PVn-l：采样时间 1的进程变量数值必须保存进程变量,而不必保存错误,用于下一次微分项计算。第一次采样时,数值尸-1被初始化,等于尸匕。变频恒压供水频率变化分析 7交流电机的转速与电源频率f的关系如下:n 二 60:(l s)(2-13)P式中:p是级对数,s是转差率因此不改变电动机的极对数,只改变电源的频率,电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中,通过变频器来改变电源的频率/来改变电机的转速。改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵况目的。2.3 节能分析2.3.I 水泵的基本参数和特性此犯37水泵工作参数共有六个,即:流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高 度或气穴余量。在六个参数中,流量、扬程和转速是基本参数,只要其中一个发生 变化,其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。1.流量。水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量,可分为体积流量和质 量流量两种。2.扬程y/8水泵扬程也称水头,是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量,可以由水泵进 水口、出水口断面上的单位总能量片,当的差值表示,其单位以加计。水泵扬程可 用下式表示为”=-2-l=（Z2 Zi）+（“2 1）+匕匕（2-14）2g式中:zb z2分别为真空表测压点、压表零位点至基准面的垂直距离,低于基 准面时取负值（机）。式中:“2，1分别为真空表、压表读数（相）。为水泵进,出水口断面的流速水头（相）。2g3.功率水泵功率有以下两种,有效功率时和轴功率。有效功率治为泵内液体实际所获得的净功率（KW）,可以根据流量和扬程来计算。_ yQHPm woo（2-15）式中:丫为液体的比重（依）。为液体的流量（才/s）H为水泵的扬程（加）。轴功率是水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率,即由动机传给 水泵轴上的功率（KW）。轴功率不可能全部传给液体,而要消耗一部分功率后,才 成为有效功功率。尸N 二良义100%=丄 X100（2-16）式中:77:水泵效率（%）4.效率有效功率与轴功率的比值为效率77。pM二一X100%（2-17）Pn水泵效率标志着水泵传递能量的有效程度,亦即反映了泵内功率损失的大小,是项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部 效率组成。（1）机械损失与机械效率机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以及叶轮在水中旋 转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后,把剩下的功率传给所抽的 水,这部分功率叫做水功率。卬。尸=/（。+）/（2-18）式中:Q+q:流过叶轮的全部流量9q:漏损量Hth:水泵理论扬程机械损失的大小用机械效率表示Pwr/j=xlOO%Pn(2-19)容积损失与容积效率在流过叶轮的全部流量中,除了出水量。外,另有一部分流量,经过减漏环的 间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流冋进水侧,以及经过填料函渗出泵外,流量 带走的功率为Pl=yqHth(220)剩余的功率为:Ps=Pw Pl(221)容积损失可川容积效率,表示7r=X1OO%(2-22)Pw各式带入上式后的:r/r=X100%(2-23)。+q)Hth Q+q(2)水力损失与水力效率水泵吸入室、叶槽、压出室中的磨擦阻力、旋涡及撞击等引起的水力损失,可 用水力效率表示77，=X100%(2-24)Pw yQHth Hth用段乘以上式右端可的:PwPsPmPnPwPs=mZ刃刃s(2-25)由上式可见水泵效率,是三个局部效率的乘积。要提高水泵效率,必须尽量减 少机械磨擦和漏水量,并求改善过流部分的设计和提高制造、装配质量。5.转速转速是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计况时的 转速,当转速改变后,水泵工作性能也随着改变。6.允许吸上真空高度或临界气穴余量A4二者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数,它们是确定水泵安装高度和 评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。工况点调节方法:在选择和使用水泵的实践中,常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点较 远,以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象,这就必须采 用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点,使其符合要求。这 种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下。L车削调节沿外径车小离心泵的叶轮,可以改变水泵的性能曲线,从而扩大水泵的使用范 10围,这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某范围,否则原来的构造 被破坏,使叶片末端变粗,使叶轮和泵壳之间间隙过大,增加冋流损失,以致水利 效率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。2.变角调节通过改变叶片安装角,使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节,它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵,并不适合离心泵,因此这里不作 详述。3.节流调节对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说,当把闸阀关小时,由于在管路中增 加了一个局部阻力,则管路性能曲线变陡,于是,其工作点就沿着水泵的HQ曲线 朝着流量减小的方向移动。闸阀关得越小,附加阻越大,流量就变得越小。这种 通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法,称为节流调节。4.变速调节变速调节是通过改变水泵的转速,可以使水泵性能曲线改变,达到调节水泵 况以扩大水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相似理论的应用。2.3.2水泵调速运行的节能原理水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行 中水泵每天只有很短的最大时流量,其流量随外界用水情况在变化,扬程也因流量 和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在个况点,需要根据实际情况进行 控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道的阻抗而 达到控制流量的目的,因而浪费了能量:而电动机调速控制可以通过改变水泵电动 机的转速来变更水泵的工况点,使其流量与杨程适应管用水量的变化,维持压恒 定,从而达到节能效果。由流体力学可知,水泵给管网供水时,水泵的输出功率P与管网的水压H及出水 流量Q的乘积成正比;水泵的转速与出水流量Q成正比:管网的水压H与出水流 量Q的平方成正比。由上述关系有,水泵的输出功率P与转速的三次方成正比,即：P=k1HQ(226)11n=k2Q(2-27)H=k3Q2(2-28)P=kn3(2-29)上面各式中除卜2#3为比例常数。当系统出水流量减小时,通过变频调速装置将供水水泵转速调小,则水泵的输出功 率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理田如图2-2所示。图中曲线1、2、3 为管网阻力特性曲线,曲线4为水泵转速为时的运行特性曲线,曲线5为水泵转 速为时的运行特性曲线。水泵原来的工作点为曲线3和曲线4的交点A,此时出 水流量为。1,管网压为水泵转速为。当系统的出水流量减小到。2,系统 管网特性为曲线1。曲线1和曲线4的交点5为运行工作点。此时管网压为“2,水泵的输出功率正比于“2。2。由于“2”1，高出的压力能量被浪费了,同时过 高的压对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置,将此时水泵的转速 调至,曲线5和曲线2的交点。为水泵的运行工作点。调速后管网的压仍保持 为,出水流量为口。2，水泵的输出功率正比于。1。从图中可见,阴影部分 正比于浪费的功率输出。例如,当。2为。1的80%时,通过调速将调为的80%,则水泵的输出功率6为的51.2%。如不采川调速控制,48.8%的能量将被浪费。可见变频调速的经济效益十分可观。12第3章恒压供水系统3.1 系统概述网恒压供水是指川户段不管川水量大小,总保持管网水压基本恒定,这样,既可 满足各部位的用户对水的需求,又不使电动机空转,造成电能的浪费。为实现上述目标,本系统利用PLC和数据采集模块根据给定压力信号和反馈压 力信号,通过尸/。控制算法控制变频器调节水泵转速,从而达到控制管网水压的目 的。3.2 控制系统的组成3.2.1 供水系统的组成图3-1恒压供水系统原理图3.2.2 系统功能说明本系统主要可以分为手动和自动两大块,手动状态下又可分为强制关闭和强制 频自动运行时能进行尸调节,进行加泵,减泵,在手动状态下也能进行自动运 行,能通过尸/。运算及加,减泵控制水压,防止出现超压,欠压现象的出现。133.3 恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理3.3.I 恒压供水系统的工作原理L当尸。处于手动状态下:在手动状态下尸。会先检测是否有强制工频或强制关闭的泵,如果有则在开始 运行时就先把被强制的泵按要求运行或停止,如果处于手动档但又没有指定任何一 台泵的工作状态则按自动状态运行。当有泵处于强制状态时,各泵对应的辅助触点 会被置1,其余泵如果按自动运行状态到定时间（加泵或减泵）,需要用到被强制 的泵时会因辅助触点的状态自动跳过被强制的泵,而继续使再下个泵工作或停止。2.当尸厶。处于自动运行状态下:在自动运行状态下,尸。是不会检测有无被强制的泵。因此,此时要注意使用 安全。3.启动泵:尸。按1,2,3,4的顺序依次变频启动4个泵,当泵运行与50Hz一段时间（具 体时间由实验的出,暂定为1分钟）后算法所得结果依然不满足水压要求会增 加下个泵。（如所有泵已经工作则启动报警,提示全泵组工作,但依然欠压。此时 可按取消报警停止报警）4.停止军.停泵时并非按4,3,2,1的顺序停止,因为如果这样停会使泵的启动与停止过 于频繁对泵组的损耗太大。因此在这里当尸/算法的出结果需要减泵时会直接关断 处于变频运行泵前面的,离变频运行的泵最近的,没有被强制的泵。（如果所有泵全 部处于关闭,只有一个泵处于变频运行状态则停止该泵并发出超压报警,此时可按 取消报警来取消报警）3.3.2调速泵系统构成由四台泵构成,无主次之分,使各泵对压更为平均。因为变频器设计有停止 特定泵的功能,所以检修时也更为方便。3.4 变频器3.4.I 变频器输入输出接口下图为两相220V电压下的接线图下图为三相380V电压下的接线图:14NFB MC3相交流电源三:直流24V输出和外部 晶体管公共端子（源型输入公共端）请注意端子PC-SD间 不要短路正转启动 反转启动（高速多段速度选择 2电机Mm；一接地变频器异常看出运行运行状态输日集电极 开路输出 公共端SINK SOURCE短路片:連接 FR-BEL时,清 卸去此短路片.X RU川 SESTFSTR*3 丽3RM 3RL*3SD提高功率因数用 直流电抗器（FR-BEL:选件）雅:案切換5（公共端）DC4 20mA(+)4(DC4 20mA)极电路出 集开输M才三他,。:;模拟信号：（DC0-5V5心;近）-H?10(*5V)1电流愉入（-）-1使用电流输入频率设定信号时,Pr.60-Pr.63（输入端子功能选 择）的某个设定为”4”,端子 RH,RM.RL.STR的某个请分配为AU（电流塘入选择）,谓将AU信号0N。RS-485 接口接地接地线尺寸:2mm图3-2变频器三相380V电压接线图3.4.2 变频器外围设备的选择及保养1、冷却风扇为冷却主回路半导体元件等发热零件而使用的冷却风扇轴承的寿命为1-3.5万 小时。因此,在连续运行的装置中,通常2-3年为个周期,应更换冷却风扇。此外,在检查时发现异常声音,异常振动时,冷却风扇必须立即更换。2、平波电容在主冋路直流部分作为平滑用使川大容量的铝电解电容,在控制冋路使川了稳 定控制电源的铝电解电容,由于脉动电流等等的影响其特性会变差。这受周围环境 和使用条件的影响很大,在通常的空调环境下使用时,约10年更换一次。15电容的恶化经过一定时期会急速地加快,因此,检查周期最少为一年（接近寿命的希 望在半年以下）检查一次。检查时外观的判断基准外売的状态:外売的侧面,底面是否膨胀封口板的状态:显眼的弯曲,极端的裂痕是否有其它、外观、包装裂痕、变色和漏出液体等等,定量地当电容器到了 额定容量85%下时,就应更换电容。3.5 变频调速恒压供水系统的特点1、滞后性供水系统的控制对象是用户管网的水压,它是个过程控制量,同其他些过 程控制量（如:温度、流量、浓度等）一样,对控制作用的响应具有滞后性。同时用于 水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。2、非线性用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响,同时又由于水泵的些固有特性,使水泵转速的变化与管网压的变化不成正比,因此变频调速恒压供水系统是个 非线性系统。3、多变性变频调速恒压供水系统要具有广泛的通川性,面向各种各样的供水系统。而不 同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异,因此其控制对象 的模型具有很强的多变性。4、时变性在变频调速恒压供水系统中,由于有定量泵的加入控制,而定量泵的控制（包括 定量泵的停止和运行）是时时发生的,同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模 型参数,使其不确定性地发生变化,因此可以认为,变频调速恒压供水系统的控制 对象是时变的。16第4章可编程控制器PLC4.1 PLC的定义2曲可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的员，是为业 控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称尸。,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术 的发展,这种装置的功能已经大大的超过了逻辑控制的范围。因此,今天这种装置 称作可编程控制器,简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的 简称混淆,所以将可编程控制器简称尸厶。为了使PLC生产和发展标准化,国际电委(IEC)先后颁布了 PLC标准草案第 稿,第二稿,并在1987年2月通过对它的定义:“可编程控制器是种数字运算操作电子系统,专为在工业环境应用而设计的,它采用类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算,顺序控制,定 时,计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类 型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统 联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计的总之,可编程控制器是一台计算机,它是专为业环境应用而设计制造的计算 机。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品 并不针对某具体工业应用,在实际应用时,其硬件需根据实际需要进行选用配置,其软件需根据控制要求进行设计编制。4.2。的发展阶段及发展方向1、尸。的发展阶段虽然尸。问世时间不长,但是随着微处理器的出现,大规模,超大规模集成电 路技术的迅速发展和数据通迅技术的不断进步,尸厶。也迅速发展,其发展过程大致 可分为三个阶段囲:(1)早期的尸。(60年代末70年代中期)早期的尸。一般称为可编程逻辑控制器。这时的尸。多少有点继电器控制装置 的替代物的含义,其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制,定时等。早 期的尸。的性能要优于继电器控制装置,其优点包括简单易懂,便于安装,体积小,能耗低,有故障指使,能重复使用等。其中尸。特有的编程语言梯形图一直沿用 至今(2)中期的尸。(70年代中期80年代中、后期)在70年代,微处理器的出现使尸。发生了巨大变化。美国、日本、德国等 些厂家先后开始采用微处理器作为尸厶。的中央处理单元(。尸。)。这样,使尸厶。得 功能大大增强。在软件方面,除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外,还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件方面,除了保 持其原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程/。模块、各种特殊功能模 17块,使尸。得应用范围得以扩大。(3)近期的尸厶。(80年代中、后期至今)进入80年代中、后期,由于超大规模集成电路技术的迅速发展,使得各种类型 的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且,为了进步提高PLC的处理速度,各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得尸。软、硬件功能发生 了巨大变化。2、尸。的发展方向。是门综合技术,其发展与微电子技术和计算机技术密切相关。随着可编 程序控制器应用领域的不断扩大,它本身也在不断发展。目前尸厶。主要朝两个方向 发展国、5。(1)小型化方向发展目前的小型尸。大都局限在开关量的输入输出,而且。尸。和I/O部件组装在 个箱体内,今后的小型尸。也将增加模拟量的处理功能,而且也将有灵活的组态 特性,并且能与其它机型连用。小型尸。的基本特点是价格低廉、经济可靠,适用于冋路或设备的单机控制,便于“机电仪”一体化。但免不了要牺牲些用户使用的方便性。既要简单经济,又要不断增强功能和使用的方便性是小型尸。的发展方向。(2)大型化方向发展主要包含以下几个方面:功能不断加强:不仅具有逻辑运算、计数、定时等基本功能,还具数值运算、模拟调节、监控、记录、显示、与计算机接口、通讯等功能。网络功能是尸。发展的个重要特征。各种个人计算机,图形工作站、小型 机等都可以作为尸。的监控主机或工作站,这些装置的结合能够提供屏幕显示、数 据采集、记录保持、回路面板显示等功能。大量的尸。联网及不同厂家生产的尸。兼容性增加,使得分散控制或集中管理都能轻易地实现。应用范围不断扩大:不仅能进行一般的逻辑控制,还能进行中断控制、智能控 制、过程控制为、远程控制等。用于过程控制的尸。往往对存贮器容量及速度要求较高,为此,开发了高速 模拟量输入模块,专用独立的尸/。控制器,多路转换器等,使得数字技术和模拟量 技术在可编程序控制器中得到统。编程软件的多样化和高级化:采用多种编程语言,有面向顺序语言和面向过程 控制系统的流程图语言;还有与计算机兼容的高级语言,如BASIC,C及汇编语言;另外还有专用的高级语言,例如三菱的MELSAP采用编译的方法将语句变为梯形图程 序;也有采用布尔逻辑语言的。尸。也将具有数据库,并可实现整 用网络的数据库共享。还将不断发展自适应控制和专家系统。构成形式的分散化和集散化:尸。与I/O 口分散,尸。本身也可分散,分散 的尸。可以连用,这样可将集中控制存在的“危险集中”化为“危险分散”。分散 的尸厶。与上位机结合构成集散系统,分散地进行控制,这就便于构成多层分布式控 制,以实现整个工厂或企业的自动化捽制和管理。4.3。的特点与应用领域4.3.I 可编程序控