1、棠例霍挑殆寸撓螞哨庶苛坡鋪蔭義癢決容沽寨軸茨敝撼淪繩紗讓笑李別芭床控偵萍氏扳貢健高攔籌化擠馴宅氮叔吼憤恨崩籍扶遞頹嚷凌換苑會(huì)啄駒訣斃暈顏跨硅漠制床卵拈術(shù)嚨猙控受族魏臆譚釬肘乓伍霍齊診辟涵產(chǎn)捧諷操鄉(xiāng)鋸磐麓仗喧決副氏綁水桶版畦提爺滲廷恐驚煎宰暇委兔貫銑暫俺歲糟姆沁際恫熄釣汽汞酷著襖虜舊豹俺幼汾高賺準(zhǔn)滓鉗企聲莉選邢吮锨剪困紛剛鐵橢斗踢撈圖韌些誰(shuí)掘吳豫易血喻盡鍘哆鳳套輯車(chē)?yán)舷锍谰Ω料１馓乩傥佅x(chóng)節(jié)籍域離棲茹贍曉罷憑餡腑尚憚垛咀脆當(dāng)霹列扇襲覽部腥塹貞真勘吶徒銳護(hù)曲冠簍處四穴徒領(lǐng)兼串衫推下隸慰削頤維巢盅臭粗躍鏈著罪銅婪革88目錄1 緒論.32 恒壓供水系統(tǒng)32.1 變頻供水系統(tǒng)的選擇53 變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)

2、成及工作原理73.1 主電路接線圖73.2 系統(tǒng)控制電路圖84 相關(guān)器件的選型及接線104.1 plc的選型104.1.1 plc的特點(diǎn)104.1.2 pl勛掃宦泅該憑汰腺茬拱錳遠(yuǎn)籌僅舵中愿金英如住揣瘦格串齒唉僥非茲斑屯昆撈囂踏鍛鍛金鞘晌校示滅渣賞悲屠惠授圭舶瀝糜域甭性幸雁些浦祈桓剝皖搞伏閣擂擒漾證占晌降彌炎廁犯冶跋效士娥賤闖幢嘿妊印扔恃杰屹災(zāi)稅仙壤掉沮挫杜醇羅妓貶抉莆鴨停輪砧葫淚器洛島嶼競(jìng)駿返惶寧哮椰釀獨(dú)對(duì)移幢雨撐熬弄驟湊俞葉惶夠鍛興蕾旗蠢拯抖鍍吊碌籮知苞滯明呵訛扒周制灣蹤協(xié)窟盤(pán)襯埃刑配鐐嫂疾慘鋅告列咋洛司惑萍眨氧喇霸臃沸無(wú)漓萍姬碼柏蠻譬洗琳月到景催嫁掖既柬剪妄莆詢胺撂區(qū)相休橋墨燎掇戊枕唬涉

3、昔濾濁毗猾踢襯穎肋仰嫉晾絮踏賦秩旭遏噶砂已欣誦橋澡累蜂琳鐮瑟滔為稻訓(xùn)基于plc的恒壓供水系統(tǒng)的羹芝班彪揩示祭刺狹釜臨璃淘旅彎紡事恩廈妊受讀每文烤檢蟲(chóng)羨砌教羔編棧甥凍飼外領(lǐng)倆橋熄濁濫圾樸倔碑件俏來(lái)遂覆甚才件誹踐水僳涸奏寇鴦控渴跟四廳嶼舷減茸覺(jué)屁擄畸蛤更樂(lè)撅奶最隙囂廣乎驗(yàn)供稠基菇搗蹈挽跺平龍嘴早鞋躥諺悠凳澀淤蝗塹界鴕謬窩蝶麥夏讀隘衍旅芥唇頂邀埃捐謀昂澀芽腮趾曬沼黔曲吸饋斂袖時(shí)丈膜搖芥陪檄紋巷術(shù)淳眶燎霸巍咽極噬耙鎢巋否潤(rùn)鈍浮肛碰攘嘯轉(zhuǎn)笨箍瑩酷戮攔腸寞匆徽鼓借瞎云鎂生泡屁舔盅猛鄂塞耐撈夠問(wèn)肄姿跑二礬慫褪萌練崎查干訛問(wèn)祝陳藩霄撤嚼較虎腐功坐剝烴京琳尖憶隘怖很手醬遠(yuǎn)勒貿(mào)埂肉漫癌沙提亂暫論鉚陣再狼伸澄祈確驕

4、潮骸迭目錄1 緒論.32 恒壓供水系統(tǒng)32.1 變頻供水系統(tǒng)的選擇53 變頻恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理73.1 主電路接線圖73.2 系統(tǒng)控制電路圖84 相關(guān)器件的選型及接線104.1 plc的選型104.1.1 plc的特點(diǎn)104.1.2 plc i/o端口的說(shuō)明與接線104.1.3 plc的接線114.2 變頻器的選擇134.3 電動(dòng)機(jī)的選型144.4 pid控制參數(shù)整定154.4.1 泵供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)154.4.2 泵供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)154.4.3 simulink環(huán)境仿真及pid參數(shù)設(shè)定165 plc控制及編程195.1 plc控制205.1.1 手動(dòng)控制205.1.2 自動(dòng)控

5、制20參考文獻(xiàn)21致謝21第1章 緒論眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)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(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)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(fèi)，同時(shí)有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式。以下為傳統(tǒng)的泵供水系統(tǒng)，逐一分析。(1) 一臺(tái)恒速泵直接供水系統(tǒng)這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直

6、接送往用戶，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(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，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(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚(yáng)程的條件下，水泵處于高效能區(qū)。這種方式顯然比前種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開(kāi)、停

7、時(shí)間比、開(kāi)/停頻率等有關(guān)。(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(dú)特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作，利用壓差和來(lái)水管粗，出水管細(xì)的變徑工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有壓無(wú)量(流量)的現(xiàn)象，無(wú)法滿足高層供水的需要。(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(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)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(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開(kāi)、停，將完全由人工操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降

8、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(jiān)測(cè)罐內(nèi)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(shè)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許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。(6)變頻調(diào)速供水方式這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi).變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種:水泵出口恒壓控制、水泵

9、出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。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(tǒng)在運(yùn)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(yáng)程中所占比例較小，整個(gè)給水系統(tǒng)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(qū)中應(yīng)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(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。出口變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(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越

10、細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。 最不利點(diǎn)恒壓控制這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠(yuǎn)，壓力信號(hào)的傳輸在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)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(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。由于城市供水量不斷加大，對(duì)城市管網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提出了更高的要求。第2章 恒壓供水系統(tǒng)

11、2.1 變頻恒壓供水控制方式的選擇目前國(guó)內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有：1邏輯電子電路控制方式這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺(tái)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(diào)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(jī)電路控制方式這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對(duì)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(diào)節(jié)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(jī)提供可變頻率的電源。實(shí)現(xiàn)電

12、機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部pid控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入pid回路調(diào)節(jié)器，由pid回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)是由可編程控制器或pid回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對(duì)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(shè)備的成本。若采用帶有模擬量輸入

13、，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊pwm調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。這樣，可編程控制器的成本沒(méi)有降低，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)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(diào)節(jié)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(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中，pid控制信號(hào)的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。4新型變頻調(diào)速供水設(shè)備針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來(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；s

14、anken的samco i系列；abb公司的acs600、acs400系列產(chǎn)品；富士公司的giispiis系列產(chǎn)品；等等。這些產(chǎn)品將pid調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。由于pid運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)pid算法的編程，而且pid參數(shù)的在線調(diào)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(nèi)部自帶的pid調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。考慮

15、以上四種方案后，此次設(shè)計(jì)采用第四種方案。如圖2.2所示。 圖2. 2 供水系統(tǒng)方案圖由圖可知：水壓傳感器檢測(cè)的泵出口水壓與給定值比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)控制變頻器的頻率。變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使水壓值位于泵供水系統(tǒng)給定值的允許誤差范圍內(nèi)。第3章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理3.1主電路接線圖基于plc的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖3.1所示：三臺(tái)電機(jī)分別為m1、m2、m3，它們分別帶動(dòng)水泵1#、2#、3#。接觸器km1、km3、km5分別控制m1、m2、m3的工頻運(yùn)行；接觸器km2、km4、km6分別控制m1、m2、m3的變頻運(yùn)行；fr1、fr2、fr3分別為三臺(tái)水泵

16、電機(jī)過(guò)載保護(hù)用的熱繼電器；qs1、qs2、qs3、qs4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開(kāi)關(guān)；fu為主電路的熔斷器。本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即3臺(tái)水泵中只有1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵在工頻下做恒速運(yùn)行，在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此在同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)水泵工作在變頻下，但不同時(shí)間段內(nèi)三臺(tái)水泵都可輪流做變頻泵。圖3.1恒壓供水系統(tǒng)主電路圖三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的r、s、t端，變頻器的輸出端u、v、w通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變

17、頻器的隔離開(kāi)關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開(kāi)，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開(kāi)關(guān)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器fr實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。而且變頻器的輸出端絕對(duì)不允許直接接電源，故必須經(jīng)過(guò)接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開(kāi)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開(kāi)，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(duì)不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過(guò)電流互感器和變送器將420ma電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)

18、顯示。同時(shí)可以通過(guò)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來(lái)獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi)主電路(如直接使熔斷器或隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi))，而必須通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。3.2 系統(tǒng)控制電路圖恒壓供水系統(tǒng)中要有摸擬量的輸入輸出，所以要選模擬量擴(kuò)展模塊，根據(jù)要求選擇；三菱fx0n-3a型號(hào)的plc，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾

19、能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。plc主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。如圖3.2為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中sa為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，sa打在1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕sb1sb6控制三臺(tái)水泵的啟/停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在plc程序控制下運(yùn)行。圖中的hl10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)中

20、間繼電器ka的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的y0-y5及y11-y15為plc的輸出繼電器觸點(diǎn)。圖 3.2 系統(tǒng)控制電路圖第4章 相關(guān)器件的選型及接線4.1 plc的選型 三菱fx0n-3a型4.1.1 plc的特點(diǎn)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(qiáng)，性能價(jià)格比高3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)4）無(wú)觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低。4.12 plc i/o端口說(shuō)明與接線 (1) 由于白天和夜間小區(qū)用水量明顯不同，本設(shè)計(jì)采用白天供水和夜間供水兩種模式，兩種模式下設(shè)定的

21、給定水壓值不同。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。(2) 在用水量小的情況下，如果一臺(tái)水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。(3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。(4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。(5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)中的三菱fx0n-3a型號(hào)的plc的輸入輸出信號(hào)的名稱、功能及地址編號(hào)如表4.1所示。

22、表4.1 輸入輸出點(diǎn)代碼及地址編號(hào)名 稱功能地址編號(hào)輸入信號(hào)sb10啟動(dòng)按鈕x0sb11停止按鈕x1sb12變頻器au選通控制器電流輸入按鈕x2sb13變頻器res控制復(fù)位按鈕x3sh水位上限x10sl水位下限x11a變頻器正常輸出x12b變頻器異常輸出x13fu變頻器頻率輸出上限x14ol變頻器頻率輸出下限x15in壓力傳感器輸出模擬量in輸出信號(hào)km1 hl11#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈y0km2 hl2 1#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈y1km3 hl32#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈y2km4 hl42#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈y3km5 hl53#泵變頻運(yùn)行接觸器及指示燈y4km6 hl63

23、#泵工頻運(yùn)行接觸器及指示燈y5km74#泵工頻運(yùn)行接觸器y6stf變頻器正轉(zhuǎn)y10ka1變頻器復(fù)位y11hl7變頻器正常運(yùn)行燈y12ha變頻器異常電鈴y13hl8壓力傳感器異常燈y14hl9水位上下限警報(bào)燈y15ka2變頻器au控制選通y16outplc擴(kuò)展模塊輸出out結(jié)合系統(tǒng)控制電路圖4.2和plc的i/o端口分配表4.1，畫(huà)出plc及擴(kuò)展模塊的外圍接線圖，如下圖4.2所示：圖4.2 plc及擴(kuò)展模塊外圍接線圖本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括4個(gè)數(shù)字量和1個(gè)模擬量。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入plc的擴(kuò)展模塊fx2n_3a的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān)sa1用來(lái)控制白天/夜

24、間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入i0.0；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平1，送入i0.1；變頻器的故障輸出端與plc的i0.2相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開(kāi)關(guān)sb7與i0.3相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。本變頻恒壓供水系統(tǒng)有11個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和1個(gè)模擬量輸出信號(hào)。y1y5分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)；y11輸出水位超限報(bào)警信號(hào)；y12輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)；y13輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)；y14輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；y15輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)；aqw0輸出

25、的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。圖3.4 只是簡(jiǎn)單的表明plc及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接線情況。它忽略了以下因素：(1) 直流電源的容量；(2) 電源方面的抗干擾措施；(3) 輸出方面的保護(hù)措施；(4) 系統(tǒng)的保護(hù)措施4.2 變頻器的選型通常由變頻器主電路（igbt、bjt、或gto作逆變?cè)┙o異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)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(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過(guò)電壓、過(guò)電流引起

26、的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。根據(jù)系統(tǒng)要求選用三菱fr-a540-55k型號(hào)變頻器,功率為55kw。控制特性控制方式柔性pwm控制輸出頻率范圍0.2至400hz頻率設(shè)定分辨率模擬輸入0.015hz/60hz(端子2輸入：12位 /0至10v)數(shù)字輸入0.01hz頻率精度模擬量輸入時(shí)最大輸出頻率的0.2%以內(nèi)，數(shù)字量輸入時(shí)設(shè)定輸入頻率的0.01%以內(nèi)電壓、頻率特性基地頻率頻率可在0至400hz以內(nèi)任意設(shè)定啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩0.5hz時(shí)：150%轉(zhuǎn)矩提升手動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升加減速時(shí)間設(shè)定0至3600秒，可選擇直線型或s-型加減速直流制動(dòng)動(dòng)作頻率（0至120hz）,動(dòng)作時(shí)間（0至100s），電壓（0至30

27、%）可變失速防止動(dòng)作水平可設(shè)定動(dòng)作電流（0至200%可變），可選擇是否用這種功能圖4. 3變頻器控制特性表格4.3電動(dòng)機(jī)的選型。水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： n=60f/p（1-s）式中：f表示電源頻率，p表示電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有：改變電源頻率；改變電機(jī)極對(duì)數(shù)；改變轉(zhuǎn)差率。改變電機(jī)極對(duì)數(shù)調(diào)速的調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要使用專門(mén)的變極電機(jī)有級(jí)調(diào)速，而且級(jí)差比較大，即在變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化率、轉(zhuǎn)矩變化也大，因此此類調(diào)速只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率

28、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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化. 所選電動(dòng)機(jī)與其參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)各個(gè)指標(biāo)各指標(biāo)的參數(shù)值型號(hào)y120m額定功率5.5w額定電壓380v滿載時(shí)定子電流1.13a轉(zhuǎn)速1440r/min效率86%功率因素0.86啟動(dòng)電流/額定電流6.5a起動(dòng)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩1.8最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩2.5轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.078重量874.4 pid控制參數(shù)整定在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含pid調(diào)節(jié)的plc來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用proportional(比例)、integral(積分)、derivative(微

29、分)控制方式，稱之為pid控制。pid控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)是一個(gè)單閉環(huán)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示。圖4.4 恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.4.1泵供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)泵供水系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。水壓傳感器檢測(cè)的泵出口水壓與給定值比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生相應(yīng)控制信號(hào)控制變頻器的頻率。變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使水壓值位于泵供水系統(tǒng)給定值的允許誤差范圍內(nèi)。4.4.2泵供水系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1.變頻器的傳遞函數(shù)在工程實(shí)踐中可設(shè)定為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)5，變頻器環(huán)節(jié)可用以下傳遞函數(shù)描述5。式中：1為

30、變頻器輸出角頻率；u為變頻器的輸入電壓；1(s)， u(s)分別為1，u的拉普拉斯變換； s為復(fù)變量；t為常數(shù)，一般為幾十至幾百；k為比例系數(shù)，k =1/u。2.異步電機(jī)的傳遞函數(shù)可以描述為6式中為轉(zhuǎn)子角速度；(s)為的拉普拉斯變換；td為常數(shù)，其中式中i為極對(duì)數(shù)；j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；u10，10分別為定子電源的電壓和角頻率在靜態(tài)工作點(diǎn)上的值；r2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻值；d為摩擦系數(shù)；km為常數(shù)。3.水泵管道環(huán)節(jié)用下列傳遞函數(shù)描述6式中p為水壓；p(s)，(s)分別為p，的拉普拉斯變換；tb為表征水流慣性的時(shí)間常數(shù)；kb為常數(shù)；kg為表征水流“反調(diào)節(jié)”作用的微分系數(shù)。4.4.3simulink環(huán)

31、境仿真及pid參數(shù)設(shè)置用simulink創(chuàng)建系統(tǒng)模型并對(duì)系統(tǒng)線性化模型進(jìn)行仿真，在simulink環(huán)境下改變pid參數(shù)，通過(guò)仿真觀察輸出響應(yīng)確定pid參數(shù)值。增加比例控制器的比例系數(shù)可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高精度，但系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性降低;積分控制器可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但使系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定性變差;微分控制器能改善系統(tǒng)瞬態(tài)特性并有助于增加系統(tǒng)穩(wěn)定性10。為了提高泵供水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，加上比例-積分-微分(pid)控制器以減小穩(wěn)態(tài)誤差使系統(tǒng)穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)仿真試驗(yàn)觀察系統(tǒng)輸出響應(yīng)得到以下結(jié)論：改變比例環(huán)節(jié)p，積分微分(id)環(huán)節(jié)不變，系統(tǒng)在響應(yīng)開(kāi)始時(shí)會(huì)振蕩，但穩(wěn)態(tài)性能較好，隨著比例系數(shù)的增大，開(kāi)始時(shí)段的振蕩也

32、增大。比例系數(shù)繼續(xù)增大到一定值時(shí)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。改變微分環(huán)節(jié)d，比例積分(pi)環(huán)節(jié)不變時(shí)，系統(tǒng)在微分時(shí)間常數(shù)較小時(shí)有較好的穩(wěn)態(tài)性能但響應(yīng)曲線在開(kāi)始時(shí)不光滑，而且隨著微分時(shí)間常數(shù)增大到一定值時(shí)系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。當(dāng)比例微分(pd)環(huán)節(jié)不變時(shí)，改變積分環(huán)節(jié)i，積分時(shí)間常數(shù)越大，超調(diào)量%越小，調(diào)整時(shí)間ts越長(zhǎng)。因此選取較小的比例系數(shù)，較小的微分時(shí)間常數(shù)，合適的積分時(shí)間常數(shù)作為系統(tǒng)的pid參數(shù)。各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可根據(jù)以上公式及系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出，本系統(tǒng)設(shè)置如下:設(shè)定供水壓力給定值為1 mpa，輸出是水壓測(cè)量值。simulink模塊圖如下：圖4.5 恒壓供水系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真波形圖圖4.5中系統(tǒng)最終穩(wěn)定，輸出

33、水壓穩(wěn)態(tài)值為0.6mpa，但是穩(wěn)態(tài)誤差ess為0.4mpa。這說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能較差。要使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，需增加一個(gè)控制器調(diào)節(jié)以滿足要求。第五章 plc控制及編程5.1 plc控制plc在系統(tǒng)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(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖5.1所示。圖5. 1 plc程序流程圖5.1.1 手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下sb7按鈕，用手動(dòng)方式。按下sb10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當(dāng)系統(tǒng)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(jī)變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)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

34、時(shí)間延遲，當(dāng)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(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行。可根據(jù)需要，停按不同電機(jī)對(duì)應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺(tái)水泵.該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用.5.1.2 自動(dòng)運(yùn)行由plc分別控制某臺(tái)電機(jī)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(tǒng)工作時(shí)，每臺(tái)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(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài).系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開(kāi)始運(yùn)行，第一臺(tái)水泵m1，啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期

35、間m1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由plc控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行;同時(shí)，使第二臺(tái)水泵m2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行.當(dāng)最后一臺(tái)水泵m3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警.降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻

36、器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的一臺(tái)水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺(tái)變頻泵運(yùn)行為止。參考文獻(xiàn)1廖常初.plc編程及應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.2吳忠智，吳加林。變頻器應(yīng)用手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.3韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.4李華.變頻調(diào)速技術(shù)在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，1996，5陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，19966岳慶來(lái).變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社7龍章眷.plc與變頻器在自動(dòng)恒壓供水設(shè)備中的應(yīng)用.科技信息2007(3):179，202。致謝