PAGEPAGE1基于PLC變頻恒壓供水系統的自來水遠程監控第一篇：基于PLC變頻恒壓供水系統的自來水遠程監控基于PLC變頻恒壓供水系統的自來水遠程監控一、引言在水源地內，多眼井星羅棋布在水庫上。為了確保供水生產的安全、可靠、連續。針對水廠制水過程的特點和控制系統的功能要求，我們采用基于西門子PLC的恒壓力供水系統。二、編程控制器概述PLC即可編程控制器，是一種以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。國際電工委員會(IEC)對PLC曾作了如下定義：“PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械和生產過程。PLC及其有關設備，都應該按易于與工業控制系統形成一個整體。易于擴充其功能的原則設計。”這段話完全道出TPLC的特點和應用領域。其主要有以下特點：1.可靠性高。為了滿足工業生產對控制設備安全可靠性的要求，PLC采用了微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成。2.環境適應性強。PLC具有良好的環境適應性，可應用于十分惡劣的工業現場。在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作，具有很好的抗宅間電磁干擾的能力，它一般對環境溫度要求也不高。在環境溫度-20XX5度、相對濕度為35%至85%情況下仍可正常工作。3.靈活通用。在完成一個控制任務時，PLC具有很高的靈活性。首先，PLC產品L三經系列化，結構形式多種多樣，在機型上又很大的選擇余地。其次同一機型的PLC其硬件構成具有很大的靈活性，用戶可以根據不同任務的要求，選擇不同類型的輸入輸出模塊或特殊功能模塊組成不同硬件結構的控制裝置。4.使用方便、維護簡單。PLC控制的輸入輸出模塊。特殊功能模塊都具有即插即卸功能，連接十分容易。對于邏輯信號，輸入輸出均采用開關方式，不需要進行電平轉換和驅動放大;對于模擬信號，輸入輸出均采用傳感器儀表和驅動設備的標準信號。各個輸入和輸出模塊與外部設備的連接十分簡單。整個連接過程僅需要一把螺釘旋具即可完成。三、變頻恒壓供水系統控翻方案的設計與選擇變頻恒壓供水系統主要有壓力傳感器、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。系統主要的設計任務是利用恒壓控制單元饅變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與J：頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。根據系統的設計任務要求，結合系統的使用場所，有以下方案可供選擇：1.有供水專用的變頻器+水泵機組+壓力傳感器。這種控制系統結構簡單，它將PID調節器和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PLC和PID等電控系統的功能。它雖然簡化了電路結構.降低了設備成本，但對壓力設定和壓力反饋值的顯示比較麻煩，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節參數的系統優化比較困難。調節范圍小，系統的穩態，動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。2.通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調節器控制)+人機界面+壓力傳感器。這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾。變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用F某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水。3.通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節器控制)+組態軟件十壓力傳感器。這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，町以方便地與其他的系統進行數據交換：通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同的控制系統。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和UO的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過Pc機來改變存儲器中的控制程序，所以現場調試方便。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路++PLC(包括變頻控制、調節器控制)十組態軟件十壓力傳感器”的控制方式更適合于本系統。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數據傳輸的優點，又能達到系統穩定性及控制精度的要求。四、變頦恒壓供水控制器性能特點1.高效節能。優化的節能控制軟件，使水泵實現最大限度地節能運行。由電機學公式可知。系統電機功耗與電機轉速成立方關系，在壓力不變時。水泵出水量與電機轉速成上E比。本設備采用恒壓量：r作方式。當用水量減小時，系統保持管嗍恒壓，通過降低水泵轉速來減少供水量，耗電量按立方特性降低。根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現象。2.設備投資省、占地面積小。本系統與其它供水方式比較，由于主要設備只是控制柜及水泵，省去了大量的設備占地面積，從而大幅度節省了上建投資，而且就設備本身而言，供水量越大，采用變頻恒壓供水設備的價格優勢就越顯著。3.設備運行合理、可靠性高、配置靈活。采用閉環調節控制技術，達到了恒壓供水，避免了由于超壓供水造成的電能浪費。變頻器采用軟起動工作方式，消除了直接起動對電網的沖擊和干擾，徹底避免了水泵啟動時大電流和水壓突增的情況，減少對供電電網的沖擊，降低了電機及電氣元件的故障率。4.聯網功能。采用全中文工控組態軟件一Kingview，實時監控各個站點，如電機的電壓、電流、工作頻率、管網壓力及流量等。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，以便分析統計。5.減少污染。由于變頻恒壓調速宜接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病的傳染源頭。五、恒壓供水設備的應用場合1.居民區、住宅樓、村鎮的集中生活供水系統;2.高層建筑、賓館、飯店等生活供水系統;3.綜合市場、寫字樓、商務樓宇的生活供水系統：4.自來水廠、供水加壓泵站;5.工礦企業的生產、生活供水、恒壓流量供水工藝流程等。湖南智康環保節能科技有限公司（www.）強力推薦第二篇：基于PLC的變頻調速恒壓供水系統畢業設計任務書指導老師；張繼濤基于PLC的變頻調速恒壓供水系統引言在供水系統中，恒壓供水是指在供水網系中用水量發生變化時，出口壓力保持不變的供水方式。本文采用計算機(PC)、可編程控制器(PLC)、變頻器組成變頻恒壓供水監控系統，通過變頻調速實現恒壓供水、滿足節能降耗的要求，而且有利于實現生產的自動化及遠程監測。用水量變化具有隨機性，用水高峰時水壓不足，低谷時又造成能量浪費。變頻恒壓供水系統根據公共管網的壓力變化，通過PLC和變頻器自動調節水泵的增減、水泵電機的運行方式及電機的轉速，實現恒壓供水，既防止了能量空耗，又避免出現電機啟動時沖擊電流對設備的影響。工作原理變頻恒壓供水系統采用一臺變頻器拖動兩臺大功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行;一臺低功率的電機，作為輔助泵電機啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸上升的頻率和電壓。啟動前變頻器要復位。變頻調速:根據供水管網流量、壓力變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調節電動機和水泵的轉速，實現恒壓供水。如設備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發出指令1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號泵完全退出變頻運行，對變頻器復位后，2號泵投入變頻運行。多泵切換:根據恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先停”的原則接入和退出。在PLC的程序中，通過設置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數，由給定頻率是否達到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。在用水量較小的情況下，采用輔助泵工作。為了避免一臺泵長期工作，任一泵不能連續變頻運行超過3小時。當工頻泵臺數為零，有一臺運行于變頻狀態時，啟動計時器，當達到3小時時，變頻泵的泵號改變，即切換到另一臺泵上。當有泵運行于工頻狀態，或輔助泵啟動時，計時器停止計時并清零。故障處理:能對水位下限，變頻器、PLC故障等報警。PLC故障，系統從自動轉入手動方式。PLC控制電路系統采用S7-20XXLC作下位機。S7-20XXLC硬件系統包含一定數量的輸入/輸出(I/O)點，同時還可以擴展I/O模塊和各種功能模塊。輸入點為6個，其中水位上、下限信號分別為I0.0、I0.1。輸出點為10個，O0.0-O1.0對應PLC的輸出端子。對變頻器的復位是由輸出點O1.0通過一個中間繼電器KA的觸點來實現的。根據控制系統I/O點及地址分配可知，系統共有5個開關量輸入點，9個開關量輸出點;1個模擬量輸入點和1個模擬量輸出點。可以選用CPU224PLC(14DI/10DO)，再擴展一個模擬量模塊EM235(4AI/1AO)。PLC通信程序S7-20XXLC硬件功能完善，指令系統豐富。可為用戶提供多種通訊方式:PPI方式，MPI方式，自由通訊口方式等。應用自由通訊口方式，使S7-20XXLC可以與任何通信協議已知，具有串口通訊的智能設備和控制器(如打印機、變頻器、上位PC機等)進行通信，也可以用于兩個CPU之間簡單的數據交換。該通信方式使可通信的范圍大大增大，使控制系統配置更加靈活、方便。采用PLC自由通訊口方案，PLC工作于從站，PC處于主站模式，PLC從站只響應來自主站的申請。主站向PLC從站發送指令格式的報文，讀指令00為向從站PLC申請產生于PLC的數據，讀取水壓，頻率，變頻泵號，工頻臺數，輔助泵狀態等數據;寫指令01為向PLC傳送產生于主站的數據，包括壓力設定值和控制器輸出值。在自由口通信模式下，通信協議完全由用戶程序控制。通過設定特殊存儲字節SMB30(端口0)或SMB130(端口1)允許自由口模式，用戶程序可以通過使用發送中斷、接收中斷、發送指令(XMT)和接收指令(RCV)對通信口操作。馬勇20XX-4-27第1章緒論目錄1.1PLC的變頻調速恒壓供水系統的目的和意義1.2恒壓供水的特點1.2.1恒壓供水方式討論1.2.2恒壓供水的實現1.3變頻恒壓供水的現況1.3.1國內外變頻供水系統現狀1.3.2變頻供水系統應用范圍1.3.3變頻供水系統的發展趨勢第2章變頻調速恒壓供水分析2.1變頻恒壓供水的工藝調節過程介紹2.2調速系統的構建2.2.1調速原理2.2.2調節系統的計算方法2.2.3變頻恒壓供水頻率變化分析2.3節能分析2.3.1水泵的基本參數和特性2.3.2水泵調速運行的節能原理第3章恒壓供水系統3.1系統概述3.2控制系統的組成3.2.1供水系統的組成3.2.2系統功能說明3.3恒壓供水系統的機理及調速泵的調速原理3.3.1恒壓供水系統的工作原理3.3.2調速泵系統構成3.4變頻器3.4.1變頻器輸入輸出接口3.4.2變頻器外圍設備的選擇及保養3.5變頻調速恒壓供水系統的特點第4章可編程控制器PLC4.1的定義4.2的發展階段及發展方向4.3的特點與應用領域4.3.1可編程序控制器的特點4.3.2可編程序控制器與繼電器控制系統的比較4.3.3可編程序控制器的應用領域4.3.4在現代自動控制系統應用中所面臨的問題4.4我國常用的性能比較研究4.4.1的一般結構4.4.2基本工作原理4.5我國常用的性能特點4.5.1SIMATICS7系列4.5.2S7-20XX列可編程序控制器4.5.3控制系統設計內容4.5.4控制系統設計步驟4.5.5控制系統的硬件設計4.6控制系統的軟件設計4.6.1軟件設計概述4.6.2軟件設計4.6.3程序設計的常用方法4.6.4程序設計步驟第5章PLC控制系統的設計5.1概述5.2輸入輸出分配5.2.1輸入口5.2.2輸出口5.2.3輔助觸點5.3控制系統功能介紹5.4恒壓供水系統的流程圖5.5控制系統的可靠性及應用程序設計5.5.1程序的優化設計5.5.2應用程序的設計5.5.3故障檢測程序的設計第6章系統調試6.1變頻器關鍵參數的設定6.2PLC的變頻調速恒壓供水系統調試參考文獻··········································附錄··········································第一章緒論水是生命之源，人類生存和發展都離不開水。在通常的城市及鄉鎮供水中，基本上都是靠供水站的電動機帶動離心水泵，產生壓力使管網中的自來水流動，把供水管網中的自來水送給用戶。但供水機泵供水的同時，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機泵的效率、確保供水機泵的可靠穩定運行的同時，降低能耗，將具有重要經濟意義。我國供水機泵的特點是數量大、范圍廣、類型多，在工程規模上也有一定水平，但在技術水平、工程標準以及經濟效益指標等方面與國外先進水平相比，有一定的差距。隨著社會經濟的迅速發展，人們對供水質量和供水系統的可靠性要求不斷提高。衡量供水質量的重要標準之一是供水壓力是否恒定，因為水壓恒定于某些工業或特殊用戶是非常重要的，如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，會造成更大的經濟損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經常變動的，因此用水和供水之間的不平衡的現象時有發生，并且集中反映在供水的壓力上:用水多而供水少，則供水壓力低;用水少而供水多，則供水壓力大。保持管網的水壓恒定供水，可使供水和用水之間保持平衡，不但提高了供水的產量和質量，也確保了供水生產以及電機運行的安全可靠性。對于大多數采用供水企業來說，傳統供水機泵存在日常運行費用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價比，是困擾企業的一個長期問題。目前各供水廠的供水機泵設計按最大揚程與最大流量這一最不利條件設計，水泵大多數時間在設計效率以下運行。導致電動機與水泵之間常常出現大馬拉小車問題(如圖1.1)。因此，如何解決供水與能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水解水企業關心的焦點問題之一。變頻調速技術以其顯著的節能效果和穩定可靠的控制方式，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。利用變頻技術與自動控制技術相結合，在中小型供水企業實現恒壓供水，不僅能達到比較明顯的節能效果，提高供水企業的效率，更能有效保證從水系統的安全可靠運行.變頻恒水壓供水系統集變頻技術、電氣傳動技術、現代控制技術于一體。采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控;同時可達到良好的節能性，提高供水效率。所以研究設計基于PLC變頻調速的恒定水壓供水系統(簡稱變頻恒壓供水，如圖1.2)，對于提高企業效率以及人民的生活水平，同時降低能耗等方面具有重要的現實意義。1.1PLC的變頻調速恒壓供水系統的目的和意義我國長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業生產循環供水等方面技術一直比較落后，工業自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低供不應求的現象;而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高供過于求的情況，此時會造成能量的浪費，同時還有可能造成水管爆裂和用水設備的損壞。傳統調節供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電。機控制和水塔二次供水調節的方式，前者產生大量能耗的，而且對電網中其他負荷造成影響，設備不斷啟停會影響設備壽命;后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質的安全與可靠性。而變頻調速式的運行十分穩定可靠，沒有頻繁的啟動現象，啟動方式為軟啟動，設備運行十分平穩，避免了電氣、機械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險。由此可見，變頻調速恒壓供水系統具有供水安全、節約能源、節省鋼材、節省占地、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠的優勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經濟效益與社會效益。1.2恒壓供水的特點恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機空轉，造成電能的浪費。而變頻恒壓供水的工藝調節過程特點；1.2.1恒壓供水方式討論泵組的切換開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優先），1＃泵變頻啟動，轉速從開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間（由內部時間繼電器控制，目的是避免由于干擾而引起誤動作）后，1＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由滑停至，2＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動3＃、4＃泵；若開始時1＃泵備用，則直接啟2＃變頻，轉速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達，而此時水壓還在下限值，延時一段時間后，2＃泵切換至工頻運行，同時變頻器頻率由滑停至，3＃泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動4＃泵；若1＃、2＃泵都備用，則直接啟3＃變頻，具體泵的切換過程與上述類同。1.2.2恒壓供水的實現同樣，如水壓在上限值，若３臺泵（假設為1＃、2＃和3＃）運行時，3＃泵變頻運行降到，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使1＃泵停止，3＃泵變頻器頻率從迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使2＃泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實際管網對水壓波動做出反應之前，由變頻器迅速調節，使水壓平穩過渡。以往的變頻恒壓供水系統在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運行方式切換到正在以工頻運行的泵上進行調節。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設備的使用壽命。而我們這次的設計的系統中，要求直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調節，只要參數設置合適，即可實現泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩，有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現象，提高供水品質。1.3變頻恒壓供水的現況1.3.1國內外變頻供水系統現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。目前國外的恒壓供水系統變頻器成熟可靠，恒壓控制技術先進。國外變頻供水系統在設計時主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。這種方式運行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺點必是電機數量和變頻的數量一樣多，因而投資成本高。國外生產的變頻器，特別是供水廠用變頻器，相對于國產變頻器而言，價格明顯偏高，維護成本也高于國內產品。1.3.2變頻供水系統應用范圍變頻恒壓供水系統在供水行業中的應用，按所使用的范圍大致分為三類:(1)小區供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于包括工廠、小區供水、高層建筑供水、鄉村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在135kw以下，控制系統簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內研究和推廣最多的方式.如希望集團(森蘭變頻器)推出的恒壓供水專用變頻器(5.sk認嘆22kw)。(2)國內中小型供水廠變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在135kV沐320XX之間，電網電壓通常為ZOOV或380V。受中小水廠規模和經濟條件限制，目前主要采用國產通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統這類變頻供水系統用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大(一般都大于犯OKW)、機組多、多數采用高壓變頻系統。這類系統一般變頻器和控制器要求較高，多數采用了國外進口變頻器和控制系統。如利德福華的一些高壓供水變頻器在本文中，研究和設計的變頻器是以第二種應用范圍為基礎。目前國內，除了高壓變頻供水系統，多數恒壓供水變頻系統均聲稱只要改變容量就可以通用于各種供水范圍，但在實際運用中，不同供水環境對變頻器的要求和控制方式是不一致的，大多數變頻器并不能真正實現通用。以中小水廠供水環境來說，由于其包括了自來水生產系統，其溫濕度及腐蝕程度都大于常見小區和加壓泵站，在水泵組搭配上、需要處理的信號(如水質信號停機管理)也多于小區供水系統，所以在部分條件復雜的中小水廠，采用通用的恒壓供水變頻系統并不能完全滿足實踐要求，現部分中小水廠已認識到這一情況，并針對實際情況對變頻恒壓供水系統加以改進和完善.1.3.3變頻供水系統的發展趨勢變頻供水系統目前正在向集成化、維護操作簡單化方向發展目前國內有不少公司在從事進行變頻恒壓供水的研制推廣，國產變頻器主要采用進口元件組裝或直接進口國外變頻器，結合PLC或PID調節器實現恒壓供水，在小容量、控制要求的變頻供水領域，國產變頻器發展較快，并以其成本低廉的優勢占領了相當部分小容量變頻恒壓供水市場。但在大功率大容量變頻器上，國產變頻器有待于進一步改進和完善r仆網第二章變頻調速恒壓供水分析2.1變頻恒壓供水的工藝調節過程介紹變頻恒壓供水所用水泵主要是離心泵，而普通離心泵如圖2.1所示:葉輪安裝在泵殼2內，并緊固在泵軸3上，泵軸由電機直接帶動，泵殼中央有一液體吸入口4與吸入管5連接，液體經底閥6和吸入管進入泵內，泵殼上的液體排出口8排出管9連接。在泵啟動前，泵殼內灌滿被輸送的液體:啟動后，葉輪由軸帶動高速轉動，葉片間的液體也必須隨著轉動。在離心力的作用下，液體從葉輪中心被拋向外緣并獲得能量，以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉變為靜壓能，最后以較高的壓力流入排出管道，送至需要場所。液體由葉輪中心流向外緣時，在葉輪中心形成了一定的真空，由于貯槽液面上方的壓力大于泵入口處的壓力，液體便被連續壓入葉輪中。可見，只要葉輪不斷地轉動，液體便會不斷地被吸入和排出。2.2調速系統的構建水泵的調速運行構建，是指水泵在運行中根據運行環境的需要，人為的改變運行工作狀況點(簡稱工況點)的位置，使流量、揚程、軸功率等運行參數適應新的工作狀況的需要。水泵的工況點是由水泵的性能曲線和管網的特性曲線的交點確定的。因此，只要這兩條曲線之一的形狀或位置有了改變，工況點的位置也就隨之改變。所以，水泵的調節從原理上講是通過改變水泵的性能曲線或管網特性曲線或二者同時改變來實現的。水泵的調節方式與節能的關系非常密切，過去普遍采用改變閥門或擋板開度的節流調節方式，即改變裝置管網的特性曲線進行調節。這種調節方式雖然簡便易行，但往往造成很大的能量損失。大量的統計調查表明，一些在運行中需要進行調節的水泵，其能量浪費的主要原因，往往是由于采用不合適的調節方式。因此，研究并改進它們的調節方式，是節能最有效的途徑和關鍵所在[l0]41氣水泵的調節方式可分為恒速調節與變速調節系統。詳細劃分如下:目前常見的調節方法有節流調節、動葉調節、改變泵的運行臺數調節、液力禍合器調節、繞線式異步電動機的串極調速、變極調速、變頻調速等2.2.1調速原理水泵的恒速調節主要有節流調節、動葉調節、改變泵的運行臺數調節三種.(1)節流調節節流調節是在水泵的出口或進口管路上裝設閥門或擋板，通過改變閥門或擋板的開度，使裝置需要揚程曲線發生變化，從而導致水泵工作點位置的變化。節流調節優點是調節簡單、可靠、方便，且調節裝置的初投資很少，故以前各種離心泵多采用這種調節方式。缺點是能量損失很大，目前正逐漸被其它調節方式所取代。(2)動葉調節采用動葉調節的水泵，在泵的輪毅內部安裝動葉調節機構，從而使動葉調節得以實現。對于大型的泵，可以采用液壓傳動調節.動葉調節的優點是:在調節過程中其效率變化很小，能在較大范圍保持高效率。缺點是:動葉調節機構復雜，控制自動化程度低;成本高，通常適用大容量水泵，對中小供水廠的水泵通常不適用。(3)改變機泵運行臺數調節改變機泵運行臺數調節是根據不同的流量要求，采用不同數量和型號的機泵進行并聯運行，來滿足供水量要求.優點是:它不改變電機和水泵的電氣及機械結構，在水泵臺數眾多、搭配合理的情況下，可以達到較好的調節效果。缺點是:不能實現連續調節、需要大量的機泵進行合理搭配、隨著供水量的變化要不斷啟停電機;電能損失較大。因此，目前此種方法雖大量使用，但正逐步被新的流量調節方式取代。從恒速調節的分析可以看出，由于恒速調節要不結構復雜，要不能量損失很大，因此，正逐步被變速調節所取代.這里所指的速度是水泵的轉速.水泵的變速調節可分為變速傳動裝置調節和變電動機轉速調節。(1)變速傳動裝置定速電動機驅動的水泵可以通過傳動裝置來實現變速調節。變速傳動裝置按其工作特性可分為兩類。一類是有級變速裝置，如齒輪變速等;另一類是無級變速裝置，主要有液力禍合器、油膜轉差離合器、電磁轉差離合器等。液力禍合器、油膜轉差離合器及電磁轉差離合器在傳動變速時具有一個共同的特點:傳動裝置產生的傳動損失在其所傳遞功率中所占的比例與水泵的轉速變化的大小成正比，轉速變化越大，傳動損失所占的比例也越大，因此，這類變速調節方式也被稱為低效變速調節方式。1)液力禍合器水泵通過液力禍合器實現變速調節，從液力藕合器的特性來看，其調節效率等于轉速比，故當調節量越大，其轉速比越低，傳動效率也越低。調速型液力禍合器用于葉片式水泵的變速調節時，主要具有以下優點:可以輸出連續的、無級的、變化的轉速;可以平穩的啟動、加速;電動機能空載或輕載啟動，降低啟動電流，節約電能;液力禍合器是無級調速，故便于實現自動控制，適用于各伺服系統控制:與閥門節流調節相比較，節能效果顯著。液力禍合器的缺點:在電動機額定轉速較低的場合，要求同樣的轉矩而采用較小的轉速時，液力禍合器的工作腔直徑將加大，這不但增加了造價，而且還會使禍合器調速的延遲時間增加;大功率的液力禍合器設備復雜;在運轉中隨著負載的變化，轉速比也相應變化，因此不可能有精確的轉速比:液力禍合器一旦產生故障，水泵也不能繼續工作。2)電磁轉差離合器電磁轉差離合器又稱電磁離合器、渦流聯軸器等。電磁調速電動機的主要優點是:可靠性高，只要把絕緣處理好，就能長期無檢修運行;控制裝置的容量小;結構簡單、加工容易，價格便宜。電磁調速電動機的缺點是:存在轉差損失，尤其是對凡較低的電磁調速電動機，運行經濟性較低;調速時響應時間較長:噪聲較大。(2)變電動機轉速由電機學得知，交流電動機的同步轉速n，與電源頻率fl、極對數p之間的關系式為:由式2.4可以看出，要實現交流電動機的調速，可以通過改變磁極對數p和改變電源頻率fl實現，下面就兩種變速調節方式進行比較1161一即氣1)異步電動機的變極調速變極調速原理:異步電動機在正常運行時，通常其轉差率5很小，則由式2.4知，在電源頻率fl不變的情況下，改變電動機繞組的極對數，就可改變同步轉速n:從而改變異步電動機的轉速no變極調速的主要優點是:調速效率高，僅是因在設計變極電動機時要兼顧不同轉速時的性能指標，與普通的全速電動機相比較，其效率和功率因數要稍低一些:調速控制設備簡單，僅用轉換開關或接觸器;初投資低，特別是中小型變極電動機價錢和定速電動機相差不是很大:維護方便，除軸承外，不需要特別的維修，可靠性較高，在相當惡劣的環境下可使用。變極調速的主要缺點是:有級調速，不能進行連續調速。此外，變極電動機在變速時電力必須瞬間中斷，不能進行熱態變換，因此在變速時電動機有電流沖擊現象發生.高壓電動機若需進行頻繁地切換變速時，則其切換裝置的安全可靠性尚需進一步完善提高。因此，變極調速目前應用較少。2)異步電動機的變頻調速由式2.4可知，極對數p一定的異步電動機，在轉差率變化不大時，轉速基本上與電源頻率成正比。因此，只要能設法改變fl.即可改變n。基于這個原理，變頻調速就是用晶閘管等變流元件組成的變頻器作為變頻電源，通過改變電源頻率的辦法，實現轉速調節。圖2.2為變頻調速系統的示意圖。在對變速傳動裝置和變電動機調節方式進行比較時，我們以兩者的代表，也是目前運用最廣的兩種變速方式:液力禍合器調速和變頻器調速進行對比，如表21，從中可以看出，采用變頻器進行轉速調節，具有較大的優勢。2.2.3調節系統的計算方法在供水系統中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節能問題，必須從考察調節流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種。供水系統中對水壓流量的控制，傳統上采用閥門調節實現。由于水泵的軸功率與轉速的立方成正比，因此水泵用變頻器來調節轉速能實現壓力或流量的自動控制，同時可獲得大量節能。閉環恒壓供水系統正越來越多地取代高位水箱、水塔等設施及閥門調節。(l)閥門控制法:即通過關小或開大閥門來調節流量，而轉速保持不變(通常為額定轉速)。閥門控制法的實質是:水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。如圖24所示，設用戶所需流量為Ox為額定流量的印喊即Ox=60%QN)，當通過關小閥門來實現時，管阻特性將改變為曲線③，而揚程特性則仍為曲線①，故供水系統的工作點移至E點，這時:流量減小為Q以=Ox);揚程增加為H。;由式(26)知，供水功率Pa與面積。DEJ成正比，其中Cp為比例常數，Q為流量。恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這就是恒壓供水所要達到的目的。據有關資料介紹，水泵工作效率相對值(1)水泵工作效率的近似計算公式丫的近似計算公式如(2.17):流量和轉速的相對值:(2)不同控制方式時的工作效率由式(2.1刀可知，當通過關小閥門來減小流量時，由于轉速不變，n’=1，比值，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯。在轉速控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉速n’是成正比的，比值Q’/n’不變。就是說，采用轉速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態。所以，轉速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多.這是變頻調速供水系統具有節能效果的方面之一121沖3].從電動機的效率看節能在設計供水系統時，由于:(1)對用戶的管路情況無法預測:(2)管阻特性難以精確計算:(3)必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大。所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高峰期，電動機也常常處于輕載狀態，其效率和功率因數都較低。采用了轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適當降低轉速。由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠根據負載輕重調整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率。這是變頻調速供水系統具有節能效果的另外一個方面1川4311.圖2.5“兩種常見調速方式效率曲線”為典型的液力偶合器和常見變頻器的效率一轉速曲線，隨著輸出轉速的降低，液力偶合器的效率基本上正比降低(例如:額定轉速時效率0.95，75%轉速時效率約0.72，20XX速時效率約019)，而變頻器在輸出轉速下降時效率仍然較高(例如:額定轉速時效率住97，了5%以上轉速時效率大于0.95，20XX上轉速時效率大于0.9)。從曲線數據看，當輸出轉速降低時，液力偶合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力禍合器要好。當然，有一點我們應該看到，就是用于水泵(風機)類負載時，由于其軸功率與轉速的三次方成正比，當轉速下降時，雖然液力偶合器效率正比下降，但電動機綜合軸功率還是隨著轉速的下降成二次方比例下降，因此也能起到節能作用。2.2.3變頻恒壓供水頻率變化分析由于變頻恒壓供水基本上都采用了變頻啟動，啟動頻率低，啟動電流小，因此，除了對供水機泵和供水管網有保護作用，對供水電機和電網也有良好的保護作用。供水系統電機直接啟動與變頻啟動的對比表如表2.2所示。2.3節能分析恒壓供水系統的基本特性。根據揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態時系統穩定運行。在供水系統中采用變頻調速是由于水泵的功率與轉速的立方成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式節能效果顯著.最后從理論上分析了采取變頻恒壓供水方式對供水安全積極作用:可以消除水錘效應，減少電機電網沖擊，延長系統的運行壽命。2.3.1水泵的基本參數和特性在變頻恒壓供水系統中，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現的。確定供水壓力和輸出頻率的關系是設計控制環節控制策略的基礎，是確定控制算法的依據。送水泵站所采用的水泵是離心泵，它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉來完成對水流的輸送，也就是通過葉輪高速旋轉帶動水流高速旋轉，靠水流產生的離心力將水流甩出去。離心泵也因此而得名。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統以及許多外界條件聯系在一起.在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統稱為“裝置”，在控制系統的設計中，真正對系統的分析和設計有價值的也是這種成為系統的裝置，而不是單單的孤立水泵。在水泵結構和理論中，有一些評價水泵性能的參數，供水系統的主要參數如下:流量(Q):單位時間內流過管道內某一截面的水流量，在管道截面不變的情況下，其大小決定于水流的速度。常用單位是時/m訪。供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的變化量，數值上等于對應的水位差。其常用單位是m。軸功率(幾):水泵軸上的輸入功率(電動機的輸出功率)，或者說是水泵取用的功率。供水功率(幾):供水系統向用戶供水時所消耗的功率幾你叨，供水功率與流量和揚程的乘積成正比:式中Cp一比例常數。工作效率為，):水泵的供水功率Pc和軸功率界之比，如式2.6所示。這里所說的水泵工作效率，實際上包含了水泵本身的效率和供水系統的效率。其根據實際供水的揚程和流量算得的功率，是供水系統的輸出功率。其中有效功率是指單位時間內通過水泵的液體從水泵那里得到的能量叫做有效功率。轉速(n卜水泵葉輪的轉動速度。根據水泵理論，如圖2.3所示.2.3.2水泵調速運行的節能原理由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為0.水泵進水口與出水口都沿水平方向放置，位置差為0。水泵在正常工作時，動能的變化相對較小。考慮這些具體情況，上式可以改寫為:由于水泵是由一臺交流感應電動機帶動運行的，電機的轉速與水泵的轉速相同。電機的輸出有效功率與水泵的軸功率相等。在電機理論中，感應電機的機械功率為:在變頻調速時，由于磁通中m不變，從電機公式(212)可以看出，要使主磁通中m保持不變，則UI/fl必須保持不變。因此在變頻調速過程中.電壓應該與頻率成正比例變化，設代入式(2.n)得根據能量守恒定律，有水泵裝置在變頻調速的工作狀態下運行時，有:其中杯為電機的效率。所以，從上式可以看出，當變頻器的輸出頻率一定的情況下，當用戶用水量增大，從而Q增大時，壓力表的讀數將會變小，即管網供水壓力將會降低。為了保持供水壓力，就必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機組的轉速;當用戶的用水量減小時，Q減小，在變頻器輸出頻率不變的情況下，管網的供水壓力將會增大，為了減小供水的壓力，就必須降低變頻器的輸出頻率.由于用戶的用水量是始終在變化的，雖然在時段上具有一定的統計規律，但對精度要求很高的恒壓控制來講，在每個時刻它都是一個隨機變化的值。這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動態的變化之中，依靠對頻率的調節來動態地控制管網的供水壓力，從而使管網中的壓力恒定。第3章恒壓供水系統3.1系統概述從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、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.系統主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。根據系統的設計任務要求，結合系統的使用場所，有以下幾種方案可供選擇。(1)有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器這種控制系統結構簡單，它將Pm調節器和P比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PLC和PID等電控系統的功能。它雖然簡化了電路結構，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，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。(2)通用變頻器十單片機(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。(3)通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節器控制卜人機界面+壓力傳感器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進行數據交換;通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制系統。在硬件設計上，只需確定P比的硬件配置和拍的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于P比的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此該系統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。3.2控制系統的組成供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比系統)、變頻器和電控設備三個部分:(1)供水控制器:它是整個變頻恒壓供水控制系統的核心。供水控制器直接對系統中的壓力、液位、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數據信息進行分析、實施控制算法，得出對執行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執行機構(即水泵成行控制.(2)變頻器:它是對水泵進行轉速控制的單元.變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻器有如下兩種工作方式:1)變頻循環式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，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。2)變頻固定式:變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行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運行前可以選擇。3.2.1供水系統的組成供水控制系統一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(P比系統)、變頻器和電控設備三個部分組成。3.3恒壓供水系統的機理及調速泵的調速原理恒壓供水系統的控制方案有多種，有1臺變頻器控制1臺水泵的簡單控制方案，也有1臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面將分別加以敘述.(l)單臺變頻器控制單臺水泵單臺變頻器控制單臺水泵的控制方案在國內通常是指是一臺變頻器控制一臺水泵。由于全部變頻系統中，變頻器、控制器、電機均無備份設備，出現問題無法切換，故目前多適用于用水量不大，對供水的可靠性要求不高的場合。該控制方案的控制原理框圖見圖3.2，電路見圖3.3。值得一提的是，在國外或國內少數大企業，也有一種每臺變頻器只帶一臺水泵的運行方式，但它的控制方式與上面是不同的，這些泵站往往是同時配備了多臺變頻器配多臺水泵，采用集中控制的辦法，這種變頻系統與國內水泵站常用的一臺變頻器控制單臺水泵的工作方式是完全不一樣的。在這種系統中，由于有多臺變頻器，各水泵既可以同時變頻運行，也可以分別工頻運行，使其可靠性、安全性、可調節性大大優于國內常見的各種控制方式，不過在成本上，也遠遠高于目前國內的常用的變頻恒壓供水系統。(2)單臺變頻器控制多臺水泵利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數供水系統，是目前應用中比較先進的一種方案。下面以單臺變頻器控制2臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理見圖3.4。3.2.2系統功能說明控制系統的工作原理如下:根據系統用水量的變化，控制系統控制2臺水泵按1一2一3一4一1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統用水量不多，只有1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態，控制系統處于狀態1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動3.3.1恒壓供水系統的工作原理根據系統用水量的變化，控制系統控制2臺水泵按1一2一3一4一1的順序運行，以保證正常供水。開始工作時，系統用水量不多，只有1號泵在變頻器控制下運行，2號泵處于停止狀態，控制系統處于狀態1。當用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則1號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作己不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，1號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動。2號泵電機，控制系統處于狀態2.當系統用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統，可將1號泵電機停運，2號泵電機仍由變頻器電源供電，這時，控制系統處于狀態3。當用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機的轉速也增加，當變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4.當控制系統處于狀態4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統供水的要求，此時，通過控制系統的控制，2號泵從變頻器電源轉換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動1號泵電機，控制系統處于狀態4。當控制系統處于狀態4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設定頻率時，表示只有1臺水泵工作已能滿足系統用水的要求，此時，通過控制系統的控制，可將2號泵電機停運，1號泵電機仍由變頻器供電，這時，控制系統又回到了狀態1。如此循環往復的工作，以滿足系統用水的需要。(3)單臺變頻器控制單臺水泵以及其他水泵單臺變頻器控制單臺水泵以及其他水泵啟停的控制方案與控制方案2有許多相同之處，只是方案2中，變頻器可在水泵電機間輪換工作，而控制方案3則不同，變頻器只控制某1臺泵，不能去控制其它泵，其它泵工作在普通電源的控制下.下面以2臺泵中的1臺由變頻器供電，另外1臺由普通交流電源供電的恒壓供水系統來加以說明。2臺水泵中，1臺是由變頻器供電的變速泵，另外1臺為普通交流電壓供電的定速泵。當系統用水量較小時，可以只用變頻器供電的變速泵，當變頻器供電的頻率達到最大時，表明1臺水泵己不能滿足系統用水要求，此時需要啟動1臺定速泵，由1臺變速泵與1臺定速泵同時工作。當系統用水量減小到使變頻器的輸出頻率低于某一設定值時，此時控制系統就將定速泵停運，只應用變速泵工作。當變頻器供電的頻率再次達到最大時，又表明1臺水泵已不能滿足系統用水要求。此時又需要啟動1臺定速泵，由1臺變速泵與1臺定速泵同時工作，循環往復。這種控制方式的優點是結構簡單，安裝調試方便.但在整個供水過程中由變頻器供電的變速水泵總在工作，該水泵一旦出現故障將會影響整個系統的供水。采用變頻恒壓供水，如果變頻器出現故障，應及時報替，并使整個供水過程中由變頻器供電的水泵改又普通交流電壓供電，使水泵全速運行。為了應付這種事情的發生，在選用水泵時就應考慮到用水系統管網的承受壓力，選用流量揚程曲線平緩型的水泵，使管網能夠承受水泵全速運行時的全揚程水壓.當由多臺水泵組成恒壓供水系統時，對于控制系統也有一定的要求，應選用功能強大的控制器如Pm調節器及用可編程序控制器進行控制。按照先啟動先停止，后啟動后停止的原則運行，使水泵能循環運行，通過可編程序控制器的編程，使各臺水泵的運行概率相同，避免出現某臺水泵經常工作，而其他水泵經常停歇，甚至受潮和生銹的情況I32H3slo3.3.2調速泵系統構成從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統主要有壓力傳感器、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.系統主要的設計任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環控制多臺水泵，實現管網水壓的恒定和水泵電機的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數據進行傳輸。(2)通用變頻器十單片機(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;通過變頻恒壓供水系統我們可以看出變頻調速恒壓供水系統由執行機構信號檢測、控制系統、人機界面、通訊接口以及報警裝置等部分組成。如圖供水泵系統組成3.4變頻器變頻器是一種改變交流頻率的儀器。變頻器的電控設備它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電氣元件組成.用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手/自動切換及就地集中等工作。3.4.1變頻器輸入輸出接口(1)有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器(2)通用變頻器十單片機(3)通用變頻器+PLC3.4.2變頻器外圍設備的選擇及保養在停機過程中，同樣可以通過對降速時間的預置來延長停機過程，使動態轉矩大為減小，從而徹底消除了水錘效應。此外，由于水泵平均轉速下降、工作過程中平均轉矩減小的原因是(1)葉片承受的應力大為減小。(2)軸承的磨損也大為減小。(3)克服電動機的慣性而使系統急劇地停止。3.5變頻調速恒壓供水系統的特點這種控制系統結構簡單，它將Pm調節器和P比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PLC和PID等電控系統的功能。它雖然簡化了電路結構，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，無法自動實現不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節參數尋優困難，調節范圍小，系統的穩態、動態性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。(包括變頻控制、調節器控制)十人機界面+壓力傳感器;這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數調整方便，具有較高的性能價格比，但開發周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統的可靠性。該系統適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統進行數據交換;通用性強，由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規模和要求不同控制系統。在硬件設計上，只需確定P比的硬件配置和拍的外部接線，當控制要求發生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現場調試方便。同時由于P比的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統的可靠性大大提高。因此該系統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。第四章可編程控制器PLC4.1的定義可編程控制器PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它可以采用可以編程的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術等操作的指令，并能通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程，PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業控制系統形成一個整體，易于拓展其功能的原則而設計。4.2的發展階段及發展方向全世界幾乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一個品牌就要使用對應的編程器。有多少種品牌的PLC，就要有多少種編程器。（國內現在出了一些國產PLC，是仿制國外一些品牌PLC的，這些是可以使用被仿制品牌的編程器的。）手提編程器價格昂貴，而且編程使用指令操作（不能用梯形圖），可讀性不高，非常不方便。所以，做工程的人大多會使用電腦來對PLC編程。需要說明的是，使用電腦編程還需要有配套的程序下載連線。也是每個品牌都有專門線的（互不通用）。但是這種連線比起手持編程器來說，不知道便宜多少。任何一款手提電腦都可以用來做PLC編程，前提是1支持串行通訊安裝相應品牌PLC的編程軟件。4.3的特點與應用領域最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、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。4.3.1可編程序控制器的特點PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。它具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。4.3.2可編程序控制器與繼電器控制系統的比較維修方便，可在現場修改程序；維修方便，最好是插件式；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；可將數據直接送入管理計算機；在成本上可與繼電器控制競賽；輸入可以是交流115V；輸出為交流115V/2A以上，能直接驅動電磁閥；在擴展時，原有系統只要很小變更；用戶程序存儲容量至少能擴展到4K字節。4.3.3可編程序控制器的應用領域PLC已經廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業。例如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。4.3.4在現代自動控制系統應用中所面臨的問題全世界幾乎80%以上不同品牌的PLC是不能通用的。一個品牌就要使用對應的編程器。有多少種品牌的PLC，就要有多少種編程器。（國內現在出了一些國產PLC，是仿制國外一些品牌PLC的，這些是可以使用被仿制品牌的編程器的。）手提編程器價格昂貴，而且編程使用指令操作（不能用梯形圖），可讀性不高，非常不方便。所以，做工程的人大多會使用電腦來對PLC編程。需要說明的是，使用電腦編程還需要有配套的程序下載連線。也是每個品牌都有專門線的（互不通用）。但是這種連線比起手持編程器來說，不知道便宜多少。4.4我國常用的性能比較研究目前我國主要使用和研究用松下，西門子，三菱，歐姆龍，臺達，富士等。各個應用PLC的廠家都會保護自己的程序不被別人抄寫，和設備廠家為了能控制使用和回收貨款.在程序內設定一些參數進行控制。各廠家都有各自的加密方式：三菱PLC的解密最簡單，其中以西門子S7-20XXN的加密最復雜，只有拆機從芯片破解。4.4.1的一般結構從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。CPU是PLC的核心，起神經中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數據，用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，并存入規定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內部電路的工作狀態和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路。CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態總線構成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。內存主要用于存儲程序及數據，是PLC不可缺少的組成單元。在使用者看來，不必要詳細分析CPU的內部電路，但對各部分的工作機制還是應有足夠的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執行指令。但工作節奏由震蕩信號控制。運算器用于進行數字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲運算的中間結果，它也是在控制器指揮下工作。CPU速度和內存容量是PLC的重要參數，它們決定著PLC的工作速度，IO數量及軟件容量等，因此限制著控制規模。I/O模塊PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。I/O模塊集成了PLC的I/O電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態，輸出點反映輸出鎖存器狀態。輸入模塊將電信號變換成數字信號進入PLC系統，輸出模塊相反。I/O分為開關量輸入（DI），開關量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。常用的I/O分類如下：開關量：按電壓水平分，有220XXC、110VAC、24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。模擬量：按信號類型分，有電流型（4-20XX,0-20XX）、電壓型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。除了上述通用IO外，還有特殊IO模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。按I/O點數確定模塊規格及數量，I/O模塊可多可少，但其最大數受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數限制。電源模塊PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供24V的工作電源。電源輸入類型有：交流電源（220XXC或110VAC），直流電源（常用的為24VDC）。底板或機架大多數模塊式PLC使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現各模塊間的聯系，使CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現各模塊間的連接，使各模塊構成一個整體。PLC系統的其它設備編程設備：編程器是PLC開發應用、監測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程、對系統作一些設定、監控PLC及PLC所控制的系統的工作狀況，但它不直接參與現場控制運行。小編程器PLC一般有手持型編程器，目前一般由計算機（運行編程軟件）充當編程器。也就是我們系統的上位機。人機界面：最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。PLC的通信聯網依靠先進的工業網絡技術可以迅速有效地收集、傳送生產和管理數據。因此，網絡在自動化系統集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出“網絡就是控制器”的觀點說法。PLC具有通信聯網的功能，它使PLC與PLC之間、PLC與上位計算機以及其他智能設備之間能夠交換信息，形成一個統一的整體，實現分散集中控制。多數PLC具有RS-232接口，還有一些內置有支持各自通信協議的接口。PLC的通信現在主要采用通過多點接口（MPI）的數據通訊、PROFIBUS或工業以太網進行聯網。4.4.2基本工作原理最簡單的人機界面是指示燈和按鈕，目前液晶屏（或觸摸屏）式的一體式操作員終端應用越來越廣泛，由計算機（運行組態軟件）充當人機界面非常普及。它采用可以編制的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。4.5我國常用的性能特點具有高可靠性、抗干擾能力強、功能強大、靈活，易學易用、體積小，重量輕，價格便宜的特點。4.5.1SIMATICS7系列SIMATICS7系列主要有S7—20XXS7—300、S7--400、m7等。4.5.2S7-300系列可編程序控制器S7--300周而復始地執行應用程序，控制一個任務或過程。利用STEP7--Micro/WIN可以創建一個用戶程序并將它下載到S7--300中。STEP7--Micro/WIN軟件中提供了多種工具和特性用于完成和調試應用程序。4.5.3控制系統設計內容EN/ENO的定義EN（使能輸入）是LAD和FBD中盒的布爾輸入。要使盒指令執行，必須使能流到達這個輸入。在STL中，指令沒有EN輸入，但是要想使STL指令執行，堆棧頂部的邏輯值必須是“1”。ENO（使能輸出）是LAD和FBD中盒的布爾輸出。如果盒的EN輸入有能流并且指令正確執行，則ENO輸出會將能流傳遞給下一元素。如果指令的執行出錯，則能流在出錯的盒指令處被中斷。在STL中沒有使能輸出，但是STL指令象相關的有ENO輸出的LAD和FBD指令一樣，置位一個特殊的ENO位。這個位可以用ANDENO（AENO）指令訪問，并且可以產生與盒的ENO位相同的作用。4.5.4控制系統設計步驟1．熟悉被控對象，制定控制方案分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對PLC控制系統的控制要求。2．確定I／O設備根據系統的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I／O點數。3．選擇PLC選擇時主要包括PLC機型、容量、I／O模塊、電源的選擇。4．分配PLC的I／O地址根據生產設備現場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量；根據所選的PLC的型號列出輸入／輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I／O接線圖和編制程序。5．設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜（臺）等硬件的設計及現場施工。由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。6．聯機調試聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。開始時，先不帶上輸出設備（接觸器線圈、信號指示燈等負載）進行調試。利用編程器的監控功能，采分段調試的方法進行。各部分都調試正常后，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。通常只需修改部分程序即可，全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。7．整理技術文件包括設計說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書等。4.5.5控制系統的硬件設計本系統的硬件結構如圖2所示，它由6臺水泵、17個遠程I／O分站、1個控制柜(包括變頻器、PLC、4個16點DI模塊、2個16點DO模塊、3個8點AI模塊、1個8點AO模塊和1個以太網模塊等)、1套壓力傳感器、各種保護裝置以及供電主回路等構成。其中，PI。C模塊和變頻器模塊是系統的控制核心。4.6控制系統的軟件設計根據功能要求,PLC控制系統的軟件設計方案主要采用順序控制繼電器指令,軟件設計主要包括加速、恒速、減速三段梯形圖。其中主程序流程圖如圖6所示,加速部分流程圖如圖7所示;恒速部分采用PID算法,減速部分與加速部分類似。4.6.1軟件設計概述網絡結構采用環型拓撲型式，總體結構采用三層網絡結構模式，分別為調度指揮控制中心以太網、1000M工業以太網及接入系統網絡。系統由主干千兆光纖工業以太環網、調度指揮控制中心骨干路由網關、工業以太網交換機以及連接用光纖、光配等組成。4.6.2軟件設計系統軟件設計主要包括上位機監控軟件設計和下位機PI。C控制軟件設計。上位機與下位機之間通過以太網方式通信，共同完成整個控制系統的現場流程控制和遠程監測管理功能。上位機控制系統主要實現遠程監測和管理功能，利用組態軟件進行組態，通過具體運行工況動態顯示、實時數據獲取及顯示、歷史數據存儲與打印、故障報警等功能，實現整個系統的集中監測和控制。由于供水系統是一個慣性較大的系統，不需要過高的響應速度，因而在PI。C程序的設計思想上查詢方式為主，中斷方式為輔。其具體程序流程如圖3所示。核心技術該恒壓系統采用PID控制，具體結構如圖4所示。其流程如下所述：當系統開始工作時，首先接通變頻器，然后通過接觸器把水泵電機接入變頻輸出電路，實現電機軟啟動；同時，安裝在供水管網出水I：1的壓力傳感器將水壓轉換為4～20XXA的電信號，PLC根據給定值與測量值的偏差大小，按照PID控制器的控制策略選擇原則，在壓力允許范圍內，由變頻器調整電機轉速達到調節壓力的目的。在超出壓力允許的范圍內，通過結構調整，再結合變頻達到調節壓力的目的。當用戶用水量增加時，使得水管壓力下降，此時PLC輸出相應控制信號，使變頻器帶動水泵電機升速，直至變頻器輸出至工頻，把更多的水送往出水管網。電機由變頻到工頻的轉換時間應盡可能短。而電機脫離變頻后，在水壓的作用下，電機轉速下降很快，轉換時間過長，會導致電機啟動電流增加。因此，應在電路設計與軟件設計中，考慮變頻與工頻接觸器的互鎖。通常，PID連續控制算法表達式為具體到本例中，K。一0．18，K．=o．08，Kd=1，壓強設定值為0．32MPa，則其控制效果曲線如圖5所示。此外，根據日用水量變化情況，用水高峰集中在早、中、晚3個時段，而在深夜用水量處于低谷。因此，如果改變不同時段的壓力給定值，就能更進一步地起到節能的作用。4.6.3程序設計的常用方法主干網絡的布置以調度室和水廠的交換機為核心，其它子系統交換機為系統以后的改造、信號的上傳預留接口，所有交換機形成環網，并通過光纖彼此相連，從而使得各個子系統的信號可以匯總傳送到調度室交換機上，系統網絡平臺結構如圖1所示。圖14.6.4程序設計步驟初始化程序:LDSM0.0//開機始終為ONMOVB16#9,SMB30file://自由口通信，選擇9600波特，8位數據位，無校驗MOVB16#2,VB0file://預設PLC地址MOVD&VB1000,VD20XXile://設置接收緩沖區，將其首地址傳給指針VD20XXOVD&VB120XXVD30file://設置發送緩沖區，將首地址傳給VD30MOVDVD20XXVD24file://指針值保存MOVDVD30,VD34MOVB8,SMB34file://設置8ms的定時器0時基中斷ATCH0,8file://接收字符連接到中斷0，連接靜止線定時器和接收器ATCH1,10file://定時中斷0，連接到中斷1ENIfile://開中斷為了保證通訊接收的可靠性，程序采用前導符，PLC地址，靜止線接收，結束字符。首字符的確認可通過設置前導符來完成，并且通過比較還可以剔除部分干擾字符。首字符確認:Network1file://判斷前導符LDSM0.0AB<>SMB2,16#40file://不是前導符則跳出中斷RETINetwork2file://終止定時中斷LDSM0.0DTCHfile://斷開時基中斷Network3file://是前導符則連接中斷3LDSM0.0AB=SMB2,16#40ATCH3,8靜止線是通訊過程中的一個檢測用時間，即設定的數據傳輸過程中無任何數據的任意2點的間隔時間。靜止線的設計和處理包括長度的確定及定時器和接收器的設計。INT_//靜止線定時器LDSM0.0ATCH1,10file://靜止線定時器采用8ms的時基中斷。INT_1//靜止線接收器LDSM0.0ATCH2,8file://開始接收字符尾字符的確認和校驗處理:Network1//接收及計算校驗碼LDNM0.0LDB<>SMB2,16#2A//判斷是否為第一個結束符MOVBSMB2，*VD24file://不是則保存數據并計算異或值XORWSMW1,AC0INCDVD24INCDVB40Network2file://如果是第一個結束符，則對M0.0置位，并跳出中斷，file://接收下一個字符，看是否為第二個結束符LDNM0.0AB＝SMB2,16#2ASM0.0,1MOVBSMB2,AC1RETINetwork3LDM0.0AB<>SMB2,16#0Afile://判斷第二個結束符，如不是則繼續執行AB<>SMB2,16#2Afile://判斷又是第一個結束符？不是則執行保存數據，file://異或運算，并對M0.0復位。XORWAC1,AC0MOVBVB300,*VD24INCDVD24MOVBSMB2,*VD24XORWSMW1,AC0INCDVD24INCDVB40INCDVB40RM0.0,1RETINetwork4file://如果又是第一個結束符，則上一個是有用的數據，需要保存LDM0.0AB=SMB2,16#2AXORWAC1,AC0MOVBVB1300,*VD24INCDVD24MOVBSMB2,AC1RETINetwork5file://如前一個為2A，現在接收到0A，則接收完畢，啟動延時中斷LDM0.0AB=SMB2,16#0ADTCHfile://斷開接收狀態，準備組織發送MOVB20XXSMB34ATCH5,10第5章PLC控制系統的設計5.1概述與傳統的繼電器-接觸器控制系統相比，PLC控制系統具有更好的穩定性，控制柔性，維修方便性，隨著PLC的普及和推廣，其應用領域越來越廣泛。特別是在許多新建項目和設備的技術改造中，常常采用PLC作為控制裝置。5.2輸入輸出分配PLC輸入端子板是將機床外部開關的端子連接轉換成I/O模塊所需的針形插座連接，從而使外部控制信號輸入至PLC中。同樣，PLC輸出端子板是將PLC的輸出信號經針形插座轉換外部執行原件的端子連接。5.2.1輸入口其輸入口I模塊組的的輸入元件組成是由;控制按鈕、行程開關、接近開關、壓力開關、玩控開關組成。輸入又分為如圖5-15；5.2.2輸出口其輸入口O模塊組的的輸入元件組成是由；接觸器、繼電器、來組成的。而輸出方式又分為如圖；5.2.3輔助觸點主要用于二次回路中，容量小，分常開觸電和常閉觸電兩種，主要用于控制、測量、儀表、信號、保護等回路。我們在進行操作時，就是利用小小的輔助觸電去接通和斷開主觸點去接通和斷開主觸點的線圈，從而控制主回路。5.3控制系統功能介紹最大限度的滿足被控對象的控制要求。在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統簡單、經濟、使用和維護方便。保證控制系統安全可靠。考慮到生產的發展和工藝的改進在選擇PLC容量時應適當留有余量。5.4恒壓供水系統的流程圖5.5控制系統的可靠性及應用程序設計該系統邏輯控制采用PLC控制變頻器