畢業(yè)設計—變頻調(diào)速恒壓供水論文第1頁共39頁摘要隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求.我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作.控制過程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時作出恰當?shù)姆磻Ｓ谑沁x擇一種符合各方面規(guī)范、衛(wèi)生安全而又經(jīng)濟合理的供水方式，對我們給供水設計帶來了新的挑戰(zhàn)。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態(tài)運行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長期處于超壓運行狀態(tài)，曝損也十分嚴重。本論文結合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設計了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)。系統(tǒng)工作可靠，使用方便，壓力穩(wěn)定，無沖擊等優(yōu)越性。本設計恒壓變頻供水設備由PLC、變頻器、傳感器、電動機和水泵等組成。通過PLC、變頻器、繼電器、接觸器控制水泵機組運行狀態(tài),實現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓變流量供水要求。設備運行時,壓力傳感器不斷將管網(wǎng)水壓信號變換成電信號送入PLC,經(jīng)PLC運算處理后,獲得最佳控制參數(shù),通過變頻器和繼電器控制元件自動調(diào)整水泵機組高效率地運行。文中詳細介紹了所選PLC機、變頻器、傳感器及PID算法等的特點、各高級單元的使用及設定情況，給出了系統(tǒng)工作流程圖、程序設計流程圖等。關鍵詞：可編程控制器；變頻器；傳感器；恒壓供水系統(tǒng)。AbstractAlongwiththesocialeconomyrapiddevelopment,theurbanconstructionscaleunceasingexpansion,populationincreaseaswellasthepeoplelivingstandardunceasingenhancement,tothecitywatersupplyquantity,thequality,thestabilitysetthemoreandmorehighrequest.OurcountrySmallandmedium-sizedtownandcityWaterworksinparticularoldwaterworksautomaticcontrolsystemdispositionrelativebackwardness,unit'scontrolmaindependenceattendant'smanualoperation.Thecontrolledprocessistedious,moreoverthehandcontrolisunabletothewatersupplypipenetworkpressureandthewaterlevelchangemakestheappropriateresponsepromptly.Thereforechoosesonekindtoconformtovariousaspectsstandard,thehealthsafeandalsotheeconomicalreasonablewatersupplyway,gavethewatersupplydesigntoustobringthenewchallenge.Inordertoguaranteethewatersupply,theunitusuallyisattheoverpressureconditionmovement,notonlytheefficiencylow,thepowerconsumptionisbig,moreoverthecitypipenetworkisattheoverpressurerunningstatusforalongtime,theinsolationdamagesextremelyisalsoserious.Thepresentpaperunifiesourcountrysmallandmedium-sizedtownandcitiesforthewaterworkspresentsituation,hasdesignedasetbasedonthePLCfrequencyconversionvelocitymodulationconstantpressureautomaticcontrolwatersupplysystem.Thesystemworkisreliable,theeasytooperate,thepressureisstable,doesnothavesuperiorityandsoonimpact.ThisdesignconstantpressurefrequencyconversionfeedwaterequipmentbyPLC,thefrequencychanger,thesensor,theelectricmotorandthewaterpumpandsooniscomposed.ThroughPLC,thefrequencychanger,therelay,thecontactdevicecontrolwaterpumpunitrunningstatus,realizesthepipenetworkconstantpressurevariablecurrentquantitywatersupplyrequest.Whentheequipmentmoves,thepressuretransmittertransformsthepipenetworkhydraulicpressuresignaltheelectricalsignaltosendinunceasinglyPLC,afterPLCoperationprocessing,obtainstheoptimizingcontrolparameter,throughfrequencychangerandblack-whitecontrolpartautomaticcontrolwaterpumpunithighefficiencymovement.InthearticleintroducedindetailchoosesPLCmachine,thefrequencychanger,thesensorandthePIDalgorithmandsoonthecharacteristic,eachhigh-qualityunituseandthehypothesissituation,hasgiventhesystemworkflowchart,theprogrammingflowchartandsoon.Keyword:Programmablecontroller;Frequencychanger;Sensor;Constantpressurewatersupplysystem.目錄TOC\o"1-5"\h\z\u緒論 3¤1、選題背景 5¤1.1、變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點 6¤1.2、恒壓供水系統(tǒng)特點 7¤1.3、系統(tǒng)應用范圍 7¤1.4.變頻器在供水方面的發(fā)展 7¤2、選題依據(jù) 8¤3、PLC的發(fā)展和市場情況 9¤3.1、PLC的應用領域 10¤3.2、PLC的國內(nèi)外狀況 10¤3.3、PLC未來展望 12第一章任務分析 12¤1、設計內(nèi)容： 12¤2、要解決的問題： 12¤3、主要功能與技術指標 12¤3.1、主要功能 12¤3.2、技術指標 13第二章系統(tǒng)方案設計 13¤1、理論依據(jù) 13¤1.1、PID的控制原理 13¤1.1.1、PID控制器的組成及作用 13¤1.1.2、PID的特點 14¤1.2、變頻調(diào)速的原理 14¤1.2.1、變頻器的工作原理 14¤1.2.2、變頻器控制方式 14¤1.2.3、U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式 14¤1.2.4、電壓空間矢量（SVPWM）控制方式 15¤1.2.5、矢量控制（VC）方式 15¤2、方案論證 15¤3、控制方案 18¤3.1、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結構連線圖 18¤3.2、系統(tǒng)原理說明 20¤4、系統(tǒng)方案 20¤4.1、系統(tǒng)工作過程 20¤4.2、三臺電機順序運行方框圖 21¤4.3系統(tǒng)閉環(huán)控制結構圖 22第三章系統(tǒng)硬件設計 22¤1、主電路設計與器件的選型 22¤1.1、主電路的設計 22¤1.2、元器件的選型 23¤1.2.1、斷路器QF2的選擇 23¤1.2.2、斷路器QF1的選擇 24¤1.2.3、接觸器的選擇 24¤1.2.4、熔斷器的選擇 24¤1.2.5、熱繼電器的選擇 24¤1.2.6、刀開關的選擇 25¤1.2.7、水泵控制閥的選擇 25¤1.2.8、壓力變送器的選擇 26¤1.3、安裝與配線注意事項 27¤2.控制電路的設計與選型 27¤2.1、控制電路的設計 27¤2.1.1、對控制電路的說明 27¤2.2、器件選型 29¤2.2.1、變頻器 29¤、變頻器頻率范圍的設定 29¤、變頻器的型號說明 29¤、變頻器的基本配線圖及其說明 30¤、變頻器的主電路端子及其功能 31¤2.2.2、可編程控制器（S7-200CPU222） 31¤、PLC的選型 31¤2.2.3、水泵電機的選擇 32第四章系統(tǒng)軟件設計 321、PLC輸入輸出口的分配 332、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件流程圖 343、變頻器主要功能端子設置 36結論 37參考文獻 38致謝 39緒論¤1、選題背景近年來隨著我國城市建設的迅速發(fā)展，各住宅小區(qū)，高校以及企業(yè)等水用戶對供水品質(zhì)和安全可靠性的要求不斷提高，為滿足用戶的要求，就需要高效、節(jié)能的自動調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)。目前，國內(nèi)大部分供水泵站采用的是傳統(tǒng)供水工藝，利用恒速水泵，手工操作，人工監(jiān)控、經(jīng)驗管理，管網(wǎng)供水量的變化靠大小水泵的搭配開停加上調(diào)節(jié)閥來滿足。這種傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在漏失多、耗能高，技術水平低，綜合效率低的缺點。隨著人們生活質(zhì)量的提高，在生活用水方面的質(zhì)量要求也越來越高。同時，由于工廠工藝的要求，對供水質(zhì)量也得出了更高的要求。變頻恒壓供水以其環(huán)保、節(jié)能和供水質(zhì)量高等優(yōu)點在供水行業(yè)中越來越得到認同。在城市小區(qū)化的發(fā)展中，采用以小區(qū)或社區(qū)為統(tǒng)一整體的供水方案，會使設備的利用率及節(jié)能比例大大提高，并減少初始投資和占地面積。

用戶用水量一般是動態(tài)的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。

恒壓供水系統(tǒng)對于用戶是非常重要的。在生產(chǎn)生活供水時，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響生活質(zhì)量，嚴重時會影響生存安全，如發(fā)生火災時，若供水壓力不足或或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，用水區(qū)域采用恒壓供水系統(tǒng)，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益和社會效益。

隨著電力技術的發(fā)展，變頻調(diào)速技術的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等東西的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達到高效率的運行目的。一般住宅建筑供水可分為三種方式：①傳統(tǒng)方式，將水輸送到水塔或水箱，依靠自流的方式供給用戶，這種方式水壓波動大且水質(zhì)容易受到污染；又水塔占地面積大，高位水箱一般建于樓頂，它雖然避免了水塔占地面積大的缺點，但是又人為地增加了樓房的重量，使建筑設計及樓房造價提高。②氣壓罐供水，將水輸送到氣壓罐，依靠氣壓罐內(nèi)氣體的壓力將水輸送到用戶，這種方式水壓波動范圍是氣壓罐的上限和下限，供水用戶較多時應選用較大的氣壓罐，電機頻繁啟動，容易損壞電機。③變頻調(diào)速恒壓供水，這種方式現(xiàn)在比較流行，系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)供水質(zhì)量的特點，可以很好地解決傳統(tǒng)供水方案所存在的問題，電機起（制）動平衡，占地少。但是從許多正在運行中的泵房來看，絕大部分都達不到理想效果，尤其是在夜間小流量供水時，系統(tǒng)不能切換到副泵及氣壓罐供水，部分泵房即使能夠切換成功，但也因系統(tǒng)配置不當導致系統(tǒng)重新切換至主泵供水，這樣就影響了整個系統(tǒng)的節(jié)能性。為了使變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)正常節(jié)能運行，本文主要利用通用變頻器，PLC和PID調(diào)節(jié)器進行設計。通常在同一路供水系統(tǒng)中，設置多臺常用泵，供水量大時多臺泵全開，供水量小時開一臺或兩臺。在采用變頻調(diào)速進行恒壓供水時，就用兩種方式，其一是所有水泵配用一臺變頻器；其二是每臺水泵配用一臺變頻器。后種方法根據(jù)壓力反饋信號，通過PID運算自動調(diào)整變頻器輸出頻率，改變電動機轉(zhuǎn)速，最終達到管網(wǎng)恒壓的目的，就一個閉環(huán)回路，較簡單，但成本高。前種方法成本低，性能不比后種差，本設計就是采用第一種方式進行控制。¤1.1、變頻恒壓供水代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓供水的優(yōu)點變頻恒壓供水能自動24小時維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號自動啟動備用泵，無級調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會造成管網(wǎng)破裂及開水籠頭時的共振現(xiàn)象。避免了泵的頻繁啟動及停止，而且啟動平滑，減少了電機水泵的啟動沖擊，增加了電機水泵的使用壽命，也避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象傳統(tǒng)供水中設計有水箱，不但浪費了資金，占用了較大的空間，而且水壓不穩(wěn)定，水質(zhì)有污染，不符合衛(wèi)生標準，而采用變頻恒壓供水，此類問題也就迎刃而解了。采用變頻恒壓供水，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶實際用量，自動進行檢測，控制馬達轉(zhuǎn)速，達到節(jié)能效果。避免了水塔供水無人值班時，總要開啟一個泵運行的現(xiàn)象，節(jié)省了人力及物力變頻恒壓供水可以自動實現(xiàn)多泵循環(huán)運動功能，延長了電機水泵的使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)保護功能齊全，運行可靠，具有欠壓、過流、過載、過熱、缺相、短路保護等功能。一般地說，當由一臺變頻器控制一臺電動機時，只需使變頻器的配用電動機容量與實際電動機容量相符即可。當一臺變頻器同時控制兩臺電動機時，原則上變頻器的配用電動機容量應等于兩臺電動機的容量之和。但如在高峰負載時的用水量比兩臺水泵全速供水量相差很多時，可考慮適當減小變頻器的容量，但應注意留有足夠的容量。

雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小。但是，當用戶的用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升、降速狀態(tài)，而升、降速的電流可略超過電動機的額定電流，導致電動機過熱。因此，電動機的熱保護是必需的。對于這種由于頻繁地升、降速而積累起來的溫升，變頻器內(nèi)的電子熱保護功能是難以起到保護作用的，所以應采用熱繼電器來進行電動機的熱保護。在主要功能預置方面，最高頻率應以電動機的額定頻率為變頻器的最高工作頻率。升、降速時間在采用PID調(diào)節(jié)器的情況下，升、降速時間應盡量設定的短一些，以免影響由PID調(diào)節(jié)器決定的動態(tài)響應過程。如變頻器本身具有PID調(diào)節(jié)功能時，只要在預置時設定PID功能有效，則所設定的升速和降速時間將自動失效。¤1.2、恒壓供水系統(tǒng)特點節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實現(xiàn)最大限度地節(jié)能運行；節(jié)水：根據(jù)實際用水情況設定管網(wǎng)壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象；運行可靠：由變頻器實現(xiàn)泵的軟起動，使水泵實現(xiàn)由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。聯(lián)網(wǎng)功能：采用全中文工控組態(tài)軟件，實時監(jiān)控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網(wǎng)壓力及流量等。并且能夠累積每個站點的用電量，累積每臺泵的出水量，同時提供各種形式的打印報表，以便分析統(tǒng)計。控制靈活：分段供水，定時供水，手動選擇工作方式。自我保護功能完善：如某臺泵出現(xiàn)故障，主動向上位機發(fā)出報警信息，同時啟動備用泵，以維持供水平衡。萬一自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，用戶可以直接操作手動系統(tǒng)，以保護供水。¤1.3、系統(tǒng)應用范圍采用變頻恒壓供水，具有高效節(jié)能，壓力穩(wěn)定，運行可靠，操作簡單，安裝方便，占地少，噪音低，無污染，投資低，效益高等優(yōu)點。特別適用于：

自來水廠、加壓泵房；

居民生活區(qū)、賓館及其它建筑；

企業(yè)生產(chǎn)用水；

鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)；

工礦生產(chǎn)企業(yè)；

農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一電位器設定壓力（也可采用面板內(nèi)部設定壓力），采用一個壓力傳感器（反饋為4～20mA）檢測管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器PID回路，PID回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制馬達轉(zhuǎn)速。如在一定延時時間內(nèi)，壓力還是不足或過大，則通過PLC作工頻/變頻切換，使實際管網(wǎng)壓力與設定壓力相一致。另外，隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出頻率，達到了節(jié)能的目的。¤1.4.變頻器在供水方面的發(fā)展由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或PID回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程控制器來計時，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格很高，這無形中就增加了供水設備的成本。若采用帶有模擬量輸入/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)字量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破鞯某杀緵]有降低，還增加了連線和附加設備，降低了整套設備的可靠性。如果采用一個開關量輸入/輸出的可編程控制器和一個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關鍵環(huán)節(jié)。¤2、選題依據(jù)一般規(guī)定城市管網(wǎng)的水壓只保證6層以下樓房的用水，其余上部各層均須

“提升”水壓才能滿足用水要求。以前大多采用傳統(tǒng)的水塔、高位水箱，或氣壓罐式增壓設備，但它們都必須由水泵以高出實際用水高度的壓力來“提升”水量，其結果增大了水泵的軸功率和能量損耗。

自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。

新型供水方式與過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(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術產(chǎn)品。

目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)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，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)`智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。

在短短的幾年內(nèi)，調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸為多泵系統(tǒng)所代替。雖然單泵產(chǎn)品系統(tǒng)設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、電機運行效率低，而多泵型產(chǎn)品投資更為節(jié)省，運行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計，很快發(fā)展成為主導產(chǎn)品。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使供水行業(yè)的技術裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)工作原理如下：系統(tǒng)正常運行時，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣，并將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸至PID調(diào)節(jié)器，然后與用戶設定的壓力值進行比較和運算，并將比較和運算的結果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號和水泵啟動臺數(shù)信號分別送至變頻器和可編程控制器（PLC）；變頻器據(jù)以調(diào)節(jié)水泵電機的電源頻率，進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速；可編程控制器械根據(jù)PID調(diào)節(jié)器傳輸過來的水泵啟動臺數(shù)信號控制水泵的運轉(zhuǎn)。通過對水泵的啟動和停止臺數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒移穩(wěn)于用戶預先設計的壓力值，使供水泵組“提升”的水量與用戶管網(wǎng)不斷變化的用水量保持一致，達到“變量恒壓供水”的目的。

本文中的設計系統(tǒng)由可編程控制器，變頻器和電動機組成，采用可編程序控制器（PLC）控制變頻調(diào)速器，具有控制水泵恒壓供水的功能。通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水壓轉(zhuǎn)換成4～20mA的模擬信號，通過PLC內(nèi)置的PID控制器，來改變電動水泵轉(zhuǎn)速。當用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設定壓力時，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當達到設定壓力時，電動水泵的轉(zhuǎn)速不在變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設定壓力上；反之亦然。這樣通過閉環(huán)PID控制就達到恒壓供水的目的。

當電機出現(xiàn)故障（即：過壓、過流、過載、電機過熱保護）后，系統(tǒng)會自動停止運行，當系統(tǒng)恢復后，再重新按操作步驟進行操作。通過上面的論述，利用變頻調(diào)速技術控制水泵站，成功地解決了能耗和污染的兩大難題，且自動化程度高，可靠性好等優(yōu)點。從而引出了本設計系統(tǒng)的內(nèi)容和功能要求。¤3、PLC的發(fā)展和市場情況1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一土改可編程序控制器，滿足了GM公司裝配線的要求。隨著集成電路技術和計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。在以改變幾何形狀和機械性能為特征的制造工業(yè)和以物理變化和化學變化將原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品為特征的過程工業(yè)中，除了以連續(xù)量為主的反饋控制外，特別在制造工業(yè)中存在了大量的開關量為主的開環(huán)的順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作號按照時序動作；另外還有與順序、時序無關的按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制；以及大量的開關量、脈沖量、計時、計數(shù)器、模擬量的越限報警等狀態(tài)量為主的——離散量的數(shù)據(jù)采集監(jiān)視。由于這些控制和監(jiān)視的要求，所以PLC發(fā)展成了取代繼電器線路和進行順序控制為主的產(chǎn)品。在PLC應用方面，我國是很活躍的，近年來每年約新投入10萬臺套PLC產(chǎn)品，年銷售額30億人民幣，應用的行業(yè)也很廣。但是與其它國家相比，在機械加工及生產(chǎn)線方面的應用，還需要加大投入。我國市場上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品：施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品；羅克韋爾公司（包括AB公司）PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro

Logix、Control

Logix等產(chǎn)品；西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC

S7-400/300/200系列產(chǎn)品；GE公司的產(chǎn)品；日本歐姆龍、三菱、富士、松下等公司產(chǎn)品。PLC的市場的潛力是巨大的，不僅在我國，即使在工業(yè)發(fā)達的日本也有調(diào)查表明，PLC配套的機電一體化產(chǎn)品的比例占42%，采用繼電器、接觸器控制尚有24%。所以說，需要應用PLC的場合還很多，在我國就更是如此了。PLC具有穩(wěn)定可靠、價格便宜、功能齊全、應用靈活方便、操作維護方便的優(yōu)點，這是它能持久的占有市場的根本原因，我們下面重點闡述幾個問題，并研究其發(fā)展趨勢。¤3.1、PLC的應用領域目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。開關量的邏輯控制：這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等.模擬量控制：在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。運動控制：PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。過程控制:過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。數(shù)據(jù)處理:現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。通信及聯(lián)網(wǎng):PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便。¤3.2、PLC的國內(nèi)外狀況在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設備公司（DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable,是世界上公認的第一臺PLC.限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(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)的工程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規(guī)控制概念相結合的產(chǎn)物。個人計算機（簡稱PC）發(fā)展起來后，為了方便，也為了反映可編程控制器的功能特點，可編程序控制器定名為ProgrammableLogicController（PLC）。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。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。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(wǎng)絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展。我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器。接下來在各種企業(yè)的生產(chǎn)設備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計算機廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。可以預期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。¤3.3、PLC未來展望21世紀，PLC會有更大的發(fā)展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用于可編程控制器的設計和制造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現(xiàn)；從產(chǎn)品規(guī)模上看，會進一步向超小型及超大型方向發(fā)展；從產(chǎn)品的配套性上看，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求.第一章任務分析¤1、設計內(nèi)容（1）根據(jù)任務書要求，首先擦、查閱相關資料，進行方案論證；（2）根據(jù)方案論證的結果，進行硬件電路的設計；（3）故居設計要求對涉及到的硬件電路的元器件進行選型（包括電動，熔斷器，斷路器，接觸器，水泵和電機，變頻器等的選擇）；（4）確定PLC的I/O口分配，繪制系統(tǒng)軟件流程圖；（5）完成PLC控制程序的設計，畫出梯形圖；（6）完善相關遺留問題。¤2、要解決的問題（1）根據(jù)任務書的要求，次設計是由PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并且由一臺變頻器拖動三臺水泵電機變頻運行，并且管網(wǎng)出口壓力為0.5Mpa，流量為30m3（2）由于要用PLC控制變頻器拖動3臺水泵，并且用到PID程序，這就要求我們必須熟悉并掌握PID算法程序的理論及參數(shù)的整定方法，學會它的編程思想。¤3、主要功能與技術指標¤3.1、主要功能變頻調(diào)速的主要任務是在不同的水管壓力下，對電動機的轉(zhuǎn)速進行控制，增加或減少水泵的功率，既能保證用戶的用水要求，又能減少對資源的浪費。根據(jù)對本設計任務的分析，該系統(tǒng)的主要功能為：低速啟動時，以減少對電網(wǎng)的沖擊；變頻運行時，對于不同的供水需求做出不同的運行指令；工頻運行時，滿足大量用戶的用水需求。啟動電動機后，逐漸升高頻率，同時不斷檢測供水管內(nèi)的壓力值，壓力值小于設定值時，繼續(xù)升頻，直到達到工頻，然后切掉變頻器使電動機運行在工頻階段，若檢測到管內(nèi)壓力值大于設定值，則再次啟動變頻器，使之對電動機進行變頻控制，這樣就完成了一次變頻與工頻的切換過程。¤3.2、技術指標1）管內(nèi)出口壓力為0.5Mpa；2）PLC有3輸入9輸出（包括一個模擬量輸入和一個模擬量輸出）；3）流量為30m3/h。第二章系統(tǒng)方案設計¤1、理論依據(jù)¤1.1、PID的控制原理¤1.1.1、PID控制器的組成及作用當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。測量關心的變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應用最為廣泛的控制器，PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成，其中：比例（P）調(diào)節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分（I）調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分（D）調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結合，組成PD或PID控制器。使用中只需設定三個參數(shù)（Kp，Ki和Kd）即可，在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。¤1.1.2、PID的特點首先，PID應用范圍廣:雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。其次，PID參數(shù)較易整定；也就是，PID參數(shù)Kp，Ki和Kd可以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進。¤1.2、變頻調(diào)速的原理¤1.2.1、變頻器的工作原理我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式為：

n＝60f(1－s)/p（1）

式中n———異步電動機的轉(zhuǎn)速；

f———異步電動機的頻率；

s———電動機轉(zhuǎn)差率；

p———電動機極對數(shù)。由式(1)可知，轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率f在0～50Hz的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。¤1.2.2、變頻器控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380～650V，輸出功率為0.75～400kW，工作頻率為0～400Hz，它的主電路都采用交—直—交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下三代。¤1.2.3、U/f=C的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制方式其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。¤1.2.4、電壓空間矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經(jīng)實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。¤1.2.5、矢量控制（VC）方式矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib、Ic、通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流Im1、It1（Im1相當于直流電動機的勵磁電流；It1相當于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經(jīng)過相應的坐標反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。¤2、方案論證系統(tǒng)的控制方案的確定是整個供水控制系統(tǒng)的關鍵，設計控制系統(tǒng)，首先必須確定系統(tǒng)的控制方案，所要控制的對象和目標是什么。在此前提下進行后面的設計，設計出一個滿足性能指標和功能的系統(tǒng)。其實針對一個控制系統(tǒng)來說，有很多種控制方案，但是在確定系統(tǒng)方案時，必須從節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠性等方面來考慮，綜合各方面的因素才確定出系統(tǒng)方案。本系統(tǒng)中設計了四種控制方案，并進行了比較分析，最后確定出系統(tǒng)方案。方案1：供水系統(tǒng)采用水塔供水。傳統(tǒng)的水塔供水完全依賴值班人員的手動操作，值班人員定期的把水抽到高位蓄水池里，用浮子判斷蓄水池的水位高低，當蓄水池的水位達到高位時，值班人員才停止抽水，這是利用水的勢能供用戶供水，這種控制過程無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當?shù)胤从常乙埠茈y保證供水的質(zhì)量。優(yōu)點是控制方式簡單，短時維修和斷電可不停水，當用水量小時，可以長時間不在開泵。方案2：采用氣壓罐供水，為了減少水泵啟動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效段，因此出水壓力無謂的增加，也使浪費加大，所以這種供水方式比水塔費電，因水泵為硬起動，聯(lián)軸器沖擊大，起動電流大，觸電易燒，當用水量比較大時，將造成電機啟停頻繁，電機已燒壞。優(yōu)點是：控制方式簡單，便于維修，當罐內(nèi)水滿時，容許段時間不斷水維修和斷電可不停水，當用水量小時，可以長時間不在開泵，這種方式適合與用水量少的場所，如辦公大樓以及加油站。方案3：單片機變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動化程度要優(yōu)于上面兩種供水方式，但是系統(tǒng)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(zhì)要求也比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適與惡劣的工業(yè)環(huán)境中。方案4：采用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，凡是在可變轉(zhuǎn)速的拖動電機，采用變頻調(diào)速技術節(jié)能效果顯著，這種調(diào)速技術調(diào)速性能好，運行工藝安全等優(yōu)點，節(jié)能型可靠性好、取代水塔，氣壓罐、高位水箱等恒壓供水的自動控制系統(tǒng)。對以上所列舉的四種方案相比較，方案1與方案2在供水的方式上有所不同，這兩種供水方式的可靠性不是很高，都適合與用水量不高的場合。自動化程度也差，不適合與現(xiàn)代工業(yè)的控制系統(tǒng)。但是方案1和方案2都有相同的優(yōu)點，就是便于維修，控制方式簡單，經(jīng)濟性高，但是不能滿足現(xiàn)代的供水系統(tǒng)。方案4與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，變頻器對交流電動機進行調(diào)速控制的交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點，如節(jié)能，容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的調(diào)速控制，可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)切換，可以進行高頻度的起停運轉(zhuǎn)，可以進行電氣制動，可以對電動機進行高速驅(qū)動，可以適應各種工作環(huán)境，可以用以用一臺變頻器對多臺電動機進行調(diào)速控制，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。特別是對于工業(yè)中大量使用的風扇、鼓風機和泵類負載來說，通過變頻器進行調(diào)速控制可以替代傳統(tǒng)上利用擋板和閥門進行的風量、流量和揚程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯對于方案1、方案2來說，遠遠不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的控制，也不能滿足供水的要求，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，供水系統(tǒng)管道壓力恒定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力，不會出現(xiàn)在用水高峰期水管道壓力太小的情況。采用可編程控制器來實現(xiàn)本次變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制，這種控制與單片機相比較,可編程控制器的優(yōu)點要比單片機要好的多。首先，可編程控制器適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，可靠性高。工業(yè)生產(chǎn)一般要求控制設備具有很強的抗干擾能力，能在惡劣的環(huán)境中可靠的工作。而PLC在這方面有它的獨到之處；采用許多評比措施以防止空間電磁干擾；采用較多的濾波環(huán)節(jié)，以消除外部干擾和各模塊之間的相互影響；還采用光電隔離、聯(lián)鎖控制、模塊式結構、環(huán)境監(jiān)測和診斷電路等措施，以提高硬件的可靠性；在軟件上采用了故障檢測、診斷等措施；在機械結構設計和加工工藝上都都作了精心的安排。PLC的可靠性高，主要是因為它在硬件及軟件兩方面都采取了嚴格的措施。在硬件設計方面，首先是選用優(yōu)質(zhì)器件，再者是合理的系統(tǒng)結構，加固簡化安裝，使它具有較強的抗振動沖擊性能；其次，抗電磁干擾性能好。使用方便。可編程控制器編程中有一種特殊的編程方法，即使用梯形圖(Ladderdiagram)編程。它類似于繼電器控制線路圖，只要具有繼電器控制線路方面的知識，就可以很快學會編程與操作，特別適合于現(xiàn)場電氣工作者學習和使用。最后，系統(tǒng)擴展靈活。PLC多采用積木式結構，具有各種各樣的I/O模塊，以供挑選組合，便于根據(jù)需要配置成不同規(guī)模的分散式分布系統(tǒng)。即便是緊湊式的PLC，也可以用幾個箱體進行配置。易于實現(xiàn)網(wǎng)絡化，雖然其已經(jīng)在人們生活的方方面面都得到應用，但其適合用在各種專用、小型、省電、可移動的設備。而單片機只是具有超低功耗。它的工作電壓一般為1.8—3.6V之間，工作電流視工作模式不同為：0.1—400。有強大的處理能力。它具有豐富的尋址方式，采用匯編語言編寫程序，簡單易懂。外圍模塊多。在設計該系統(tǒng)時，可以選用合適的集中芯片來實現(xiàn)設計的要求。單片機還可應用于測控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)特別是工業(yè)控制系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，各種干擾很強，而且往往要求實時控制，因此要求控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強。單片機是適宜于控制領域的。由此可見，單片機和可編程控制器都可應用于供水系統(tǒng)，但是，考慮到設計任務書的要求，本次設計采用可編程控制器來實現(xiàn)恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)，有上述的可編程控制器的特點來看，可編程控制器更適應于來完成該系統(tǒng)的實現(xiàn)。所以，在設計該系統(tǒng)時，采用可編程控制器作為控制系統(tǒng)，變頻調(diào)速作為調(diào)速系統(tǒng)，來完成恒壓供水系統(tǒng)的設計。綜上所述，四種方案的擬訂都可以實現(xiàn)供水，但是，設計出來的東西要有實用性、經(jīng)濟性、可靠性，所以本次設計所選擇的方案是方案4，即基于PLC的變頻恒壓系統(tǒng)。¤3、控制方案通過對比論證得出了系統(tǒng)的控制方案。本設計的題目就是小區(qū)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)，顧名思義就知道利用變頻調(diào)速的方式來保證供水壓力的恒定。恒壓供水是指在供水網(wǎng)管中，當用水量發(fā)生變化時出口壓力保持不變的供水方式。所謂變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心，在于使用一臺或幾臺變頻器對供水系統(tǒng)的水泵進行變頻控制，使整個控制系統(tǒng)中供水水泵盡量工作在最佳效率狀態(tài)。通過前面的綜合分析得出系統(tǒng)的總體控制方案圖。¤3.1、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結構連線圖見圖2-1。圖2-1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)結構連線圖¤3.2、系統(tǒng)原理說明按下啟動按鈕SB1后，1#電動機先以變頻器軟啟動，然后每隔100ms讀入一次傳感器的采樣值，然后進行PID運算，通過調(diào)節(jié)輸入到變頻器的電壓，控制電動機的轉(zhuǎn)速，若管內(nèi)的壓力小于所需壓力的下限，則定時器開始定時，定時后產(chǎn)生一個對變頻器復位的脈沖信號，將定時器復位，同時切斷1#電動機的變頻接觸器，將1#電動機的工頻接觸器閉合。接著將2#電動機的變頻接觸器閉合，使2#電動機軟啟動，若定時器定時未到，管內(nèi)壓力滿足所需要求，則定時器放棄定時，此時1#電動機為變頻運行，2#，3#電動機處于待機狀態(tài)。當1#電動機工頻運行，2#電動機變頻運行時，如果檢測到輸入的電壓值依然小于管內(nèi)壓力的下限值，則定時器啟動，定時完成后，將1#，2#電動機全部置于工頻運行狀態(tài)，切斷2#電動機變頻控制的觸點，同時將3#電動機的變頻接觸器閉合，使3#電動機軟啟動；如果定時未到，管內(nèi)壓力滿足所需要求，則定時器放棄定時，此時1#電動機為工頻運行狀態(tài)，2#電動機為變頻運行狀態(tài)，3#處于待機狀態(tài)。當1#，2#電動機工頻運行，3#電動機變頻運行時，如果檢測到輸入的電壓值依然小于管內(nèi)壓力的下限值，則定時器啟動，定時完成后，將1#，2#,3#電動機全部置于工頻運行狀態(tài)，切斷2#電動機變頻控制的觸點，同時將3#電動機的變頻接觸器閉合，使3#電動機軟啟動；如果定時未到，管內(nèi)壓力滿足所需要求，則定時器放棄定時，此時1#電動機為工頻運行狀態(tài)，2#電動機為工頻運行狀態(tài)，3#處于變頻運行狀態(tài)。如果壓力傳感器反饋回來的電壓值超過管內(nèi)壓力上限所對應的電壓值，經(jīng)過一個短暫的5s定時后，將1#電動機從電網(wǎng)切除，留下2#電動機變頻運行，3#電動機工頻運行。此時，如果壓力傳感器反饋的電壓值仍然超過管內(nèi)雅鹿上限所對丁的電壓值，再經(jīng)過一個短暫的5s定時后，將2#電動機從電網(wǎng)上切除，只留下3#電動機變頻運行，從而滿足恒壓供水的要求。¤4、系統(tǒng)方案¤4.1、系統(tǒng)工作過程開始時假設系統(tǒng)用水量不大，只有1#電動機在變頻運行，2#，3#電動機處于待機狀態(tài)，當用水量增加時，系統(tǒng)壓力隨之增大，1#電動機轉(zhuǎn)速增加，當頻率增加到50HZ最高轉(zhuǎn)速運行時，意味著只有1#電動機工作滿足不了此時的用水需求，這是變頻器就控制1#電動機從變頻運行狀態(tài)切換到工頻運行狀態(tài)，同時讓2#電動機變頻啟動;若從遠傳壓力表反饋回來的壓力值仍然小于設定的下限值，則讓2#電動機從變頻工作狀態(tài)切換至工頻運行狀態(tài)，同時3#電動機變頻啟動，不斷將遠傳壓力表采集的信號與設定值進行比較，若反饋的電壓值小于設定的壓力下限值，則將3#電動機切換至工頻運行狀態(tài)。若用水量減少，則官網(wǎng)壓力下降，變頻器首先將1#電動機從電網(wǎng)切除，2#電動機變頻運行，3#電動機工頻運行；若次時管網(wǎng)壓力繼續(xù)下降，則將2#電動機也從電網(wǎng)切除，留下3#電動機變頻運行。當用水量再次增加時，首先將3#電動機從變頻運行狀態(tài)切換至工頻運行狀態(tài)，同時變頻啟動1#電動機，當兩臺電動同時運行滿足不了供水需求時，接著啟動2#電動機。當用水量再次下降時，首先將3#電動機從電網(wǎng)切除，如果官網(wǎng)壓力還是不能滿足要求，接著將2#電動機從電網(wǎng)切除，只留下1#電動機變頻運行。如此往復循環(huán)。¤4.2、三臺電機順序運行方框圖見圖2-2。圖2-2三臺電機順序運行方框圖¤4.3系統(tǒng)閉環(huán)控制結構圖見圖2-3。第三章系統(tǒng)硬件設計¤1、主電路設計與器件的選型¤1.1、主電路的設計圖3-1所示為控制系統(tǒng)主電路圖。三臺電動機分別為M1、M2、M3。接觸器KM1、KM2、KM3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，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺水泵電動機過載保護用的熱繼電器；QF1、QF2分別為三臺水泵電機工頻和變頻運行的空氣斷路器；FU1為主電路的熔斷器，VFFF為簡單的一般變頻器。圖3-1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主電路圖¤1.2、元器件的選型¤1.2.1、斷路器QF2的選擇斷路器具有隔離、過電流及欠電壓等保護問題，當變頻器的輸入側(cè)發(fā)生短路或電源電壓過低等故障時，可迅速進行保護。考慮變頻器允許的過載能力為150%，1min。所以為了避免誤動作，斷路器QF2的額定電流IQN應選：IQN>=（1.3~1.4）IN=（1.3~1.4）*5.5=7.7AQF2選15A式中，IN為變頻器的輸出電流，IN=5.5A。在設計中,根據(jù)設計的電流的大小,選擇了以下隔離開關,如下表3-1所示：¤1.2.2、斷路器QF1的選擇在電動機要求實現(xiàn)工頻和變頻切換驅(qū)動的電路中，斷路器應按電動機在工頻下的起動電流來考慮，短路器QF1的額定電流IQN應選IQN>=2.5IMN=2.5*4.5A=11.25AQF1應選15A式中，IMN為電動機的額定電流，IMN=4.5A。表3-1斷路器QF1和QF2的相關參數(shù)型號機殼架額定電流（A）額定電壓（V）極數(shù)脫扣額定電流（A)額定短路通斷能力（KVA）電氣機械壽命（次）DZ15-40/390140380320315000¤1.2.3、接觸器的選擇接觸器的選擇應考慮到電動機在工頻下的起動情況，其觸點通常可按電動機的額定電流再加大一個檔次來選擇，由于電動機的額定電流IMN=4.5A，所以接觸器的觸點電流選10A即可。¤1.2.4、熔斷器的選擇用于保護多臺電動機的熔斷器，在出現(xiàn)尖峰電流時也不應熔斷，通常將其中容量最大的一臺電動機啟動，而其余電動機正常運行時出現(xiàn)的電流作為尖峰電流，因此，熔體的額定電流應滿足以下關系：Ire<=(1.5-2.5)Iemax+∑Ie=1.5×4.5+（4.4+4.4）=15.55A，所以熔斷器應選熔體額定電流為20A的。¤1.2.5、熱繼電器的選擇電磁式繼電器是根據(jù)外來信號，利用電磁原理使銜鐵產(chǎn)生閉合動作，從而帶動觸點動作，使控制電路接通或分斷4，實現(xiàn)控制電路的狀態(tài)改變，對電動機起過載保護，為了不使電動機定子繞組中的負載電流長時間超過額定工作電流，根據(jù)設計的要求選用熱繼電器的額定電流應選Ix=（1.1-1.4）Imn=2×4.4=8.8A，所以選用熱繼電器的額定電流為20A即可。它的相關參數(shù)見表3-2。表3-2熱繼電器的型號型號額定電流（A）發(fā)熱元件規(guī)格連接導線規(guī)格額定電流（A）刻度電流調(diào)整范圍JR16-20/3205103.2-4.0-5.04mm2單股塑料銅線¤1.2.6、刀開關的選擇作為電源引入開關或不頻繁接通與分斷容量不太大的負載，根據(jù)本設計的需要，選用刀開關的參數(shù)見表3-3。表3-3刀開關參數(shù)表額定電壓（V）額定電流(A)極數(shù)熔體極限分斷能力（A)控制最大電動機功率(KW)機械壽命電器壽命3301535002.2100002000¤1.2.7、水泵控制閥的選擇水泵控制閥就是水壓控制的閥門，水泵控制閥由一個主閥及其附設的導管﹑導閥﹑針閥﹑球閥和壓力表等組成。根據(jù)使用目的﹑功能及場所的不同可演變成遙控浮球閥﹑減壓閥﹑緩閉止回閥﹑流量控制閥﹑泄壓閥﹑水力電動控制閥、水泵控制閥等。特點如下：A、水泵控制閥呈流線型設計，通過電磁閥的導控實現(xiàn)準確的啟閉，使用安全可靠，有效地防止水錘河水擊聲B、防止泵出的水回流，有效地保護水泵，免受回流的沖擊而產(chǎn)生反轉(zhuǎn)C、使用壽命長，安裝、維修方便D、適用于工礦、企業(yè)、高層建筑中由水泵直接供水及生活用水管網(wǎng)系統(tǒng)水泵控制閥的工作壓力分為1.0Mpa,1.6Mpa,2.5Mpa,4.0Mpa,6.4Mpa,10.0Mpa六種，根據(jù)本設計的要求，由于管網(wǎng)壓力要求為0.5Mpa,所以選擇控制閥的型號為H741X-10,它的相關參數(shù)見表3-4。表3-4水泵控制閥的參數(shù)型號工作壓力（Mpa)使用溫度（度）材料適用介質(zhì)閥體閥蓋閥桿閥座閥盤膜片H741X-1010-80鑄鐵鉻不銹鋼青銅丁晴橡膠水¤1.2.8、壓力變送器的選擇傳感器的作用是將壓力、溫度等非電量的物理信號轉(zhuǎn)換成電量信號，以便后續(xù)電路進行處理，在此系統(tǒng)中，傳感器是將供水管中的壓力轉(zhuǎn)換成電量后，傳送到PLC的特殊功能模塊，進行數(shù)據(jù)處理后傳給變頻器控制電動機。對于基于彈性元件的壓力變送器，只是單純用于壓力測量時，其量程選擇原則為：被測壓力較平穩(wěn)時3/2Pmax<=Sp<=3Pmin被測壓力波動比較大時2Pmax<=Sp<=3Pmin測量高壓壓力時5/3Pmax<=Sp<=3PminPmax為壓力表的最大量程，Pmin為最小量程，Sp為被測量。如果壓力變送器用于自動控制系統(tǒng)中，考慮到控制系統(tǒng)會使參數(shù)穩(wěn)定在設定值上。為使指示控制方便，上下波動偏差范圍相同，變送器量程一般是選用系統(tǒng)設定值的兩倍。根據(jù)任務書要求，管網(wǎng)出口壓力規(guī)定為0.5MPa，誤差為正負0.1，則符合上述所屬的特殊情況，壓力變送器選擇量程為0-1MPa,進度等級應選為Ac<=(0.01/I.0)*100%=1,所以進度等級定為0.5級，它的相關參數(shù)如表3-5。表3-5壓力變送器的參數(shù)型號量程（Mpa)輸出信號精確度等級DG1300-BZ-2-20-14-20mA0.5¤1.3、安裝與配線注意事項1）變頻器的輸入端R、S、T和輸出端U、V、W是絕對不允許接錯的，否則將引起兩相間的短路而迅速將逆變管燒壞；2）變頻器都有一個接地端子“E”，用戶應將此端子與大地相接。當變頻器和其他設備，或多臺變頻器一起接地時，每臺設備都必須分別和地線相接，不允許將一臺設備的接地端和另一臺設備的接地端相接后在接地；3）在進行變頻器的控制端子接線時，務必與主動力線分離，也不要配置在同一線管內(nèi)，否則有可能產(chǎn)生誤動作；4）壓力設定信號線和來自壓力傳感器的反饋信號線必須采用屏蔽線，屏蔽線的屏蔽層與變頻器的控制端子ACM連接，屏蔽線另一端的屏蔽層懸空。¤2.控制電路的設計與選型¤2.1、控制電路的設計控制電路主要由壓力變送器反饋的信號送到PLC內(nèi)，經(jīng)過PID運算后控制變頻器變頻工作，其控制電路圖見圖3-2。¤2.1.1、對控制電路的說明圖中SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關，SA打在1的位置時為手動控制狀態(tài)；打在2位置是為手動控制狀態(tài)。手動運行時，可用SB2-SB10控制三臺水泵電機的起/停和壓力變送器的通斷；自動運行時，系統(tǒng)在PLC的程序控制下運行。圖中的HL7為自動運行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器進行復位控制時只提供一個干觸點信號，由于PLC的4個輸出點為一組，共用一個COM端，而系統(tǒng)又沒有剩下單獨的COM端輸出組，所以通過一個中間繼電器KA的觸點對變頻器進行復頻控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.1為PLC的輸出繼電器觸點，它們旁邊的3、4、5、6、7、8、9、10等數(shù)字為接線編號，可結合PLC的外圍接線圖一起讀圖。2.1.2控制電路見圖3-2圖3-2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)控制圖¤2.2、器件選型¤2.2.1、變頻器變頻器是把電壓，頻率固定的交流電變換成電壓，頻率分別可調(diào)的交流電的變換器。變頻調(diào)速器與外界的聯(lián)系點基本上分三部分：一是主電路接線端，包括工頻電網(wǎng)的輸入端（R，S，T），接電機的頻率，電壓連續(xù)可調(diào)的輸出端（U，V，W）。二是控制端子，包括外部信號控制變頻調(diào)速器工作的端子，變頻帶調(diào)速器