畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文) 報(bào)告(論文)題目： 基于 PLC 的高樓恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作者所在系部： 機(jī)械工程系 作者所在專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 作者所在班級： 作 者 姓 名 ： 作 者 學(xué) 號 ： 指導(dǎo)教師姓名： 完 成 時(shí) 間 ： 2012.6 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 目 錄 摘要摘要. AbstactAbstact 第一章第一章 緒論緒論1 1.1 引言1 1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義.2 1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況2 1.3.1 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 2 1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 3 1.4 本論文的主要工作.3 第二章第二章 變頻恒壓供水的理論分析變頻恒壓供水的理論分析4 2.1 水泵的工作原理4 2.2 供水電機(jī)的搭配4 2.3 水泵的調(diào)節(jié)方式5 2.4 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析5 2.5 供水系統(tǒng)的安全性問題7 2.5.1 水錘效應(yīng) 7 2.5.2 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因7 2.5.3 水錘效應(yīng)的消除 8 2.5.4 延長水泵壽命的其他因素 8 第三章第三章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)9 3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案9 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案9 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3.3 供水設(shè)備的選擇原則.11 3.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型.13 3.4.1 水泵的參數(shù)計(jì)算與型號的選擇 .13 3.4.2 變頻器的選擇 13 3.4.3 壓力傳感器的選擇 15 3.4.4 水位傳感器的選擇 15 3.4.5 其他低壓電器的選擇 15 3.5 PLC 的選型 16 3.5.1 I/O 點(diǎn)的統(tǒng)計(jì).16 3.5.2 PLC 選型的基本原則.17 3.5.3 I/O 的分配.17 3.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì).18 3.7 PID 調(diào)節(jié) .19 3.7.1 PID 控制原理和特點(diǎn) .19 3.7.2 PID 參數(shù)的預(yù)置 .20 第四章第四章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì).22 4.1 編程軟件的簡單介紹 .22 4.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) .23 4.2.1 梯形圖的設(shè)計(jì) .23 4.3 程序的仿真與調(diào)試 .28 4.3.1 仿真軟件的簡介 .29 4.3.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試 .29 第五章第五章 總結(jié)與期望總結(jié)與期望.33 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5.1 總結(jié) .33 5.2 展望 .33 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).34 致致 謝謝.36 附附 錄錄.37 語句表語句表.37 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 1 第一章 緒論 1.1 引言 水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本上 都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中 的自來水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī) 泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。我 國供水機(jī)泵的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多，在工程規(guī)模上也有一定水平，但在技術(shù) 水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高。衡 量供水質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是供水壓力是否恒定，因?yàn)樗畨汉愣ㄓ谀承┕I(yè)或特殊用戶 是非常重要的，如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，會造成 更大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡.但是用戶用水量是經(jīng)常變動(dòng)的，因此用水和供水之間的不平 衡的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)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(wǎng)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(chǎn)量和質(zhì)量，也確保了供水生產(chǎn)以及電機(jī)運(yùn)行的安全可靠性。 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(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓 縮機(jī)、制冷壓縮機(jī)等高能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用。利用變頻技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在 中小型供水企業(yè)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，不僅能達(dá)到比較明顯的節(jié)能效果，提高供水企業(yè)的效率， 更能有效保證從水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行.變頻 恒 水 壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣傳動(dòng) 技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性， 方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時(shí)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以 設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡稱變頻恒壓供水，如圖 1.2)，對于提高企業(yè) 效率以及人民的生活水平，同時(shí)降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 蓄水 池 電機(jī) 水泵 閥門 供 水 主 管 網(wǎng) 蓄水 池 電機(jī) 水泵 閥門 供 水 主 管 網(wǎng) 變頻器 PLC 圖1-1 傳統(tǒng)供水機(jī)示意圖 圖1-2 變頻供水機(jī)示意圖 1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義 我國長期以來在市政供水、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，工業(yè)自動(dòng)化程度低。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟/停電機(jī)控制和水塔 二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不 斷啟停會影響設(shè)備壽命；后者則需要大量的占地與投資。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定 可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī) 械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 具有供水安全、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，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。 1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 1.3.1 國內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。目前國外的恒壓供水 系統(tǒng)變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺變 頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式。這種方式運(yùn)行安全可靠，變壓方式更靈活。此方式的缺 點(diǎn)必是電機(jī)數(shù)量和變頻的數(shù)量一樣多，投資成本高。 目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn) 口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合 PLC 或 PID 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、 控制要求低的變頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢占領(lǐng)了相當(dāng) 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(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 改進(jìn)和完善。 1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類: (1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特 點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kW 以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶 群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2) 國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)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(jī)功率在 135kV320kW 之間，電網(wǎng)電壓通常為 220V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條 件限制，目前主要采用國產(chǎn)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(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大(一般都大于 320kW)、 機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了 國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。 目前，國內(nèi)除了高壓變頻供水系統(tǒng)，多數(shù)變頻供水系統(tǒng)均聲稱只要改變?nèi)萘烤涂梢?通用于各種供水范圍，但在實(shí)際運(yùn)用中，不同供水環(huán)境對變頻器的要求和控制方式是不 一致的，大多數(shù)變頻器并不能真正實(shí)現(xiàn)通用。所以在部分條件復(fù)雜的中小水廠，采用通 用的恒壓供水變頻系統(tǒng)并不能完全滿足實(shí)踐要求，現(xiàn)部分中小水廠已認(rèn)識到這一情況， 并針對實(shí)際情況對變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善。 1.4 本論文的主要工作 本課題主要通過研究 PLC 來控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過設(shè)計(jì)了解并熟悉了 PLC 的工作原理、編程原理以及編程方法。進(jìn)行了控制系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)， 系統(tǒng)的控制設(shè)備選用 S7-200 系列的 PLC（CPU222），變頻器選用西門子泵類專用的變頻 器 MM430。進(jìn)行了控制程序（梯形圖）的設(shè)計(jì)。在控制過程中，電控系統(tǒng)由 S7-200 完成， PID 控制由變頻器完成。最后，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對該系統(tǒng)在供水中所取 得的節(jié)約電耗、恒定壓力、保護(hù)管網(wǎng)等進(jìn)行了總結(jié)，指出變頻技術(shù)在供水領(lǐng)域所取得的 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 成果及局限性。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 第二章 變頻恒壓供水的理論分析 2.1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是離心泵，普通離心泵如圖 2.1 所示，葉輪安裝在泵 2 內(nèi)，并緊 固在泵軸 3 上，泵軸由電機(jī)直接帶動(dòng)，泵殼中央有一液體吸入口 4 與吸入管 5 連接，液 體經(jīng)底閥 6 和吸入管進(jìn)入泵內(nèi)，泵殼上的液體排出口 8 與排出管 9 連接。 在泵啟動(dòng)前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體:啟動(dòng)后，葉輪由軸帶動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的 液體也必須隨著轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jìn)入泵殼。在蝸殼中，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng) 能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o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(shí)，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(xù)壓入葉輪中?？梢?，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會不斷地被吸入和 排出。 12 3 4 6 8 7 910 5 1-葉輪 2-泵殼 3-泵軸 4-吸入口 5-吸入管 6-單頂?shù)组y 7-濾網(wǎng) 8-排出口 9-輸出管 10-調(diào)節(jié)閥 圖2-1 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 供水電機(jī)的搭配 供水電機(jī)驅(qū)動(dòng)離心泵運(yùn)行，和離心泵共同組成了供水系統(tǒng)的整體，電機(jī)的配置主要 以水泵供水負(fù)載來決定。電動(dòng)機(jī)的功率應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需要的功率來選擇，盡量使電 動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行。選擇時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn): 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 (1) 如果電動(dòng)機(jī)功率選得過小，就會出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長期過 載，使其絕緣因發(fā)熱而損壞，甚至電動(dòng)機(jī)被燒毀。 (2) 如果電動(dòng)機(jī)功率選得過大，就會出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，其輸出機(jī)械功率不 能得到充分利用，功率因數(shù)和效率都不高，不但對用戶和電網(wǎng)不利，而且還會造成電能 浪費(fèi)。 因此，要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率， 對恒定負(fù)載連續(xù)工作方式，如果知道負(fù)載的功率(生 產(chǎn)機(jī)械軸上的功率)p1（kW），可按式(2.1)計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率p(kW)： (2-1) 21 1 p p 式中，1為生產(chǎn)機(jī)械的效率，2為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率。 按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于 或稍大于計(jì)算所得的功率。 2.3 水泵的調(diào)節(jié)方式 水泵的調(diào)速運(yùn)行，是指水泵在運(yùn)行中根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的需要，人為的改變運(yùn)行工作狀 況點(diǎn)(簡稱工況點(diǎn))的位置，使流量、軸功率等運(yùn)行參數(shù)適應(yīng)新的工作狀況的需要。水泵 的調(diào)節(jié)方式與節(jié)能的關(guān)系非常密切，過去普遍采用改變閥門或擋板開度的節(jié)流調(diào)節(jié)方式， 即改變裝置管網(wǎng)的特性曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。大量的統(tǒng)計(jì)調(diào)查表明，一些在運(yùn)行中需要進(jìn)行調(diào) 節(jié)的水泵，其能量浪費(fèi)的主要原因，往往是由于采用不合適的調(diào)節(jié)方式。因此，研究并 設(shè)計(jì)它們的調(diào)節(jié)方式，是節(jié)能最有效的途徑和關(guān)鍵所在。 水泵的調(diào)節(jié)方式可分為恒速調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)。詳細(xì)劃分如下： 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 水泵的調(diào)節(jié)方式 調(diào)壓調(diào)速 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 異步電機(jī)的變極調(diào)速 異步電機(jī)的串極調(diào)速 變頻調(diào)速 液力耦合器的變速調(diào)節(jié) 油膜轉(zhuǎn)差離合器的變速調(diào)節(jié) 電磁轉(zhuǎn)差離合器的變速調(diào)節(jié) 改變傳動(dòng)裝置 改變原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 節(jié)流調(diào)節(jié) 混流式，軸流式泵的動(dòng)葉調(diào)節(jié) 改變泵的運(yùn)行臺數(shù)調(diào)節(jié) 恒速調(diào)節(jié) 變速調(diào)節(jié) 2.4 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào) 節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。供水系統(tǒng)中對水壓流 量的控制，傳統(tǒng)上采用閥門調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，因此水 泵用變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動(dòng)控制，同時(shí)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓 供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。 (1) 閥門控制法：通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速保持不變。 閥門控制法的實(shí)質(zhì)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(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變， 但是揚(yáng)程特性不變。 如圖 2-3所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%(即QX=60%QN)。當(dāng)通過關(guān)小閥門 來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性則仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 移至E點(diǎn)，這時(shí)，流量減小為QE(=Qx)；揚(yáng)程增加為HE；供水功率PC與面積ODEJ成正比。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 J K O G E N C Q H 閥門關(guān)小 閥門全開 轉(zhuǎn)速下降 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 QEQN DA 圖2-3 調(diào)節(jié)流量的方法與比較 (2) 恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉(zhuǎn) 速控制法。 轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求。當(dāng)水泵的 餓轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。 以用戶所需流量等于 60%Qn 為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使得 Qx=60%Qn 時(shí)，揚(yáng)程特性仍為 曲線，故工作點(diǎn)移向 C 點(diǎn)。這時(shí)流量減小為 QE（=Qx），揚(yáng)程減小為 Hc，供水功率 PC 與面積 0DCK 成正比。 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量(Qx用水需求 QU，則壓力上升（P）； 如：供水能力 QG用水需求 QU，則壓力上升（P）； 如：供水能力 QG=用水需求 QU，則壓力上升（P 不變）。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓 力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng)中某處的壓力的恒 定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，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(dá)到的目的。 2.5 供水系統(tǒng)的安全性問題 2.5.1 水錘效應(yīng) 異步電動(dòng)機(jī)在全電壓啟動(dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間只有在 0.25S。這意味著在0.25S的時(shí)間里，水的流量從零增到額定流量。由于水具有動(dòng)量和不 可壓縮性，因此，在極短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊， 并產(chǎn)生空化現(xiàn)象。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為 水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，壓強(qiáng)過高，將引起管道的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會 導(dǎo)致管道的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能破壞閥門和固定件。在直接停機(jī)時(shí)，供水系統(tǒng) 的水頭將克服電動(dòng)機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。 2.5.22.5.2 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大.在啟動(dòng)過程中， 異步電動(dòng)機(jī)和水泵的機(jī)械特性如圖2-4a所示，圖中曲線1是異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線 2是水泵的機(jī)械特性，陰影部分是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ(即兩者之差)。 1 2n T 0 n T 0 2 1 TJ TJ TNTN 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 （a）全壓啟動(dòng) （b）變頻啟動(dòng) 圖2-4 水泵的全壓啟動(dòng)與變頻啟動(dòng) 在拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩TJ TJ=TM-TL 由圖2-4a可知，水泵在直接啟動(dòng)過程中，拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩寫的大小如陰影部分所 示，是很大的。所以，加速過程很快。 2.5.3 水錘效應(yīng)的消除 采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時(shí)間的預(yù)置來延長啟動(dòng)過程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為 減小，如圖2-4b命所示。圖中，曲線簇1是異步電動(dòng)機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性，曲線2 是水泵的機(jī)械特性，中間的鋸齒狀線是升速過程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩(即不同頻率時(shí)電動(dòng)機(jī)機(jī)械 特性與水泵機(jī)械特性之差)。 在停機(jī)過程中，同樣可以通過對降速時(shí)間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大為 減小，從而徹底消除了水錘效應(yīng)。 2.5.4 延長水泵壽命的其他因素 水錘效應(yīng)的消除，無疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。此外，由于水泵平均轉(zhuǎn) 速下降、工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使: (1) 葉片承受的應(yīng)力大為減小。 (2) 軸承的磨損也大為減小。 所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的工作壽命將大大延長。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 第三章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)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(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動(dòng) 以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任 務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本次設(shè)計(jì)才用通用變頻器+PCL(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控 制)+人機(jī)界面+壓力傳感器的構(gòu)成方案。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖3.1所示。 PLC變頻器 壓力傳感器 工頻 變頻 用戶 蓄水池 1#泵 2#泵 備用泵 圖3-1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 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(jìn)行數(shù)據(jù) 交換；通用性強(qiáng)，由于PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控 制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生 改變時(shí)，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時(shí)由 于PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng)能適用于各 類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān)。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺變頻器控制一臺水泵的簡單控制方案， 也有一臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面重點(diǎn)介紹一臺變頻器控制幾臺水泵的特點(diǎn)。 利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比 較先進(jìn)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 理如圖3-2所示。 圖3-2 控制原理框圖 控制系統(tǒng)的工作原理如下:根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制2臺水泵按12 341的順序運(yùn)行，以保證正常供水。開始工作時(shí)，系統(tǒng)用水量不多，只有1號泵在變 頻器控制下運(yùn)行，2號泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸 出頻率增加，則1號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1 臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換 到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)2號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)2。 當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時(shí)，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)， 表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)，可將1號泵電機(jī) 停運(yùn)，2號泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時(shí)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)3。 當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則2號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增 加到最高輸出頻率時(shí)，表示只有1臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控 制系統(tǒng)的控制，2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動(dòng)1號泵電 機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。 1 號泵變頻運(yùn)行 2 號泵停止 2 號泵變頻運(yùn)行 1 號泵工頻運(yùn)行 2 號泵變頻運(yùn)行 1 號泵停止 1 號泵變頻運(yùn)行 2 號泵工頻運(yùn)行 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)， 表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，2號泵從 變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器啟動(dòng)1號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4時(shí)，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時(shí)， 表示只有1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過控制系統(tǒng)的控制，可將2號 泵電機(jī)停運(yùn)，1號泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時(shí)，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài)1。如此循環(huán)往 復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要。 3.3 供水設(shè)備的選擇原則 在做供水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先選擇水泵和電機(jī)，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而供 水規(guī)模和住宅類型以及用戶數(shù)有關(guān)。有關(guān)選擇依據(jù)原則使用表格如下。 1. 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50331-2002， 節(jié)錄如表3-1。 表 3-1 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn) 住宅 類型 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標(biāo)準(zhǔn)（/人日） 3 m 小時(shí)變化系 數(shù) 1 僅有給水龍頭0.040.082.52.0 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴 設(shè)備 0.0850.132.52.0 3 有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴 設(shè)備 0.130.192.51.8 4 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴 設(shè)備和集中熱水供應(yīng) 0.170.252.01.6 2. 供水規(guī)模換算表。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50331-2002，節(jié)錄 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 如表3.2。上面一行為用水標(biāo)準(zhǔn)(m3/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(m3/h)。 表 3-2 供水規(guī)模換算表 用水標(biāo)準(zhǔn)（m3/人日）戶數(shù) 0.100.150.200.25 45039.4059.0078.7098.40 50043.8065.6087.50109.40 60052.5078.80105.00131.30 70061.3091.90122.50153.10 80070.00105.00140.00175.00 100087.50131.30175.00218.80 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù),并對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型,見表3-3。 表 3-3 水泵、電機(jī)和變頻器選型表 4080LG50-20 x21111 6080LG50-20 x31515 8080LG50-20 x418.518.5 10080LG50-20 x52222 50 xN 12080LG50-20 x63030 40100DL218.518.5 60100DL33030 80100DL43737 100 xN 100100DL54545 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 注：N為水泵臺數(shù) 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：平方供水壓力P=0.12MPa；樓房供水壓力 P=（0.08+0.04樓層數(shù)）MPa (3-1) （5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下的原則： 蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量； 水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度； 水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。 3.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型 3.4.1 水泵的參數(shù)計(jì)算與型號的選擇 (1) 根據(jù)表3.1確定用水量標(biāo)準(zhǔn)為0.19m3/人日。 (2) 根據(jù)表3.2確定每小最大用水量為175.00m3/h。 (3) 根據(jù)10層樓高度35m，按照式(3-1)計(jì)算得 P =（0.08+0.04樓層數(shù)）MPa=0.48MPa 可確定設(shè)置供水壓力值為0.48MPa。 120100DL65555 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 根據(jù)表3-3確定水泵型號為100DL3，共3臺(其中一臺做備用)，水泵自帶電動(dòng)機(jī)功率 為30kW。 3.4.2 變頻器的選擇 本系統(tǒng)中 ，采用MciorMaster430系列變頻器，型號為HVAC(風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型) EC014500/3，額定電壓為380V500V，額定功率35kW。MicroMaster430系列變頻器是 全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照 專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的 EMC(電磁兼容性)設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路 功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等。 1. MM430變頻器介紹 MciorMaster430變頻器的端子接口分布如圖3-3所示。 RL1-A RL1-B RL1-C RL2-B RL2-C RL3-A RL3-B RL3-C 18 12 25 24 23 22 21 20 19 3 2 1 26 27 28 29 30 16 15 14 13 11 10 9 8 7 6 5 4 17 AOUT1+ AOUT1- PTCB PTCA 0V +10VN- P+ PE0V AOUT2- AOUT2+ DIN6 DIN5 DIN2 DIN3 DIN4 +24V AIN2+ AIN2- DIN1 AIN1- AIN1+ 31 32 3334 35 36 L1 L2 L3 U V W V V V F 圖3-3 MM430 端子接口分布圖 2. 端子功能介紹 各端子的功能如表3-4所示。 表 3-4 端子功能表 引腳序號引腳名稱功能引腳序 號 引腳名稱功能 1+10V12AOUT1+ 20 電源電壓 13AOUT1- 模擬輸出1 3AIN1+14PTCA 4AIN1- 模擬輸入 1 15PTCB 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 17 3.4.3 壓力傳感器的選擇 CYYB-120系列壓力變送器為兩線制420mA電流信號輸出產(chǎn)品。它采用CYYB-105系列 壓力傳感器的壓力敏感元件。經(jīng)后續(xù)電路給電橋供電，并對輸出信號進(jìn)行放大、溫度補(bǔ) 償及非線性修正、V/I變換等處理，對供電電壓要求寬松，具有420mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。 一對導(dǎo)線同時(shí)用于電源供電及信號傳輸，輸出信號與環(huán)路導(dǎo)線電阻無關(guān)，抗干擾性強(qiáng)、 便于電纜鋪設(shè)及遠(yuǎn)距離傳輸，與數(shù)字顯示儀表、A/D轉(zhuǎn)換器及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接方 便。CYYB-120系列壓力變送器新增加了全密封結(jié)構(gòu)帶現(xiàn)場數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品?？蓮V 泛應(yīng)用于航空航天、科學(xué)試驗(yàn)、石油化工、制冷設(shè)備、污水處理、工程機(jī)械等液壓系統(tǒng) 產(chǎn)品及所有壓力測控領(lǐng)域。主要特點(diǎn)： （1）高穩(wěn)定性、高精度、寬的工作溫度范圍； （2）抗沖擊、耐震動(dòng)、體積小、防水； （3）標(biāo)準(zhǔn)信號輸出、良好的互換性、抗干擾性強(qiáng)； （4）最具有競爭力的價(jià)格。 3.4.4 水位傳感器的選擇 SL980-投入式液位變送器，廣泛用于儲水池、污水池、水井、水箱的水位測量，油 池、油罐的油位測量，江河湖海的深度測量。接受與液體深度成正比的液壓信號，并將 5DINN116DIN5 6DINN217DIN6 數(shù)字輸入 7DINN326AOUT2+ 8DINN4 數(shù)字輸入 27AOUT2- 模擬輸出2 9+24V 電源電壓 28PE 10AIN2+29P+ 11AIN2- 模擬輸入 2 30P- RS-485 18RL1-A22RL2-C 19RL1-B23RL3-A 20RL1-C24RL3-B 21RL2-B 輸出繼電 器的觸頭 25RL3-C 輸出繼電器的觸 頭 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 18 其轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸出，送給計(jì)算機(jī)、記錄儀、調(diào)節(jié)儀或變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)液位的全自 動(dòng)控制。主要特點(diǎn)是：安裝簡單，精度高，可靠性高，性能穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)自身保護(hù)等。 3.4.5 其他低壓電器的選擇 1. 斷路器的選擇 （1）QF2 和 QF3 選擇。 斷路器具有隔離,過電流及欠電壓等保護(hù)功能,當(dāng)變頻器的 輸入側(cè)發(fā)生短路或電源電壓過低等故障時(shí),可迅速進(jìn)行保護(hù)?？紤]變頻器允許的過載能力 為150%，時(shí)間為1min。所以為了避免誤動(dòng)作，斷路器QF2 的額定電流應(yīng)選 qn I （A） (3-2)87621.41.3 nqn II 式中In為變頻器的額定輸出電流 所以QF2，QF3 選90A。 （2） 斷路器QF1選擇。在電動(dòng)機(jī)要求實(shí)現(xiàn)工頻和變頻切換驅(qū)動(dòng)的電路中，斷路器應(yīng) 按電動(dòng)機(jī)在工頻下起動(dòng)電流來考慮，斷路器QF1的額定電流Iqn應(yīng)選 (A) （3-3）150605 . 25 . 2 qn mn II 式中為電動(dòng)機(jī)的額定電流，=60A。 mn I mn I 所以QF1選160A。 2. 接觸器的選擇 接觸器的選擇應(yīng)考慮到電動(dòng)機(jī)在工頻下的起動(dòng)情況，其觸點(diǎn)電流通?？砂措妱?dòng)機(jī)的 額定電流再加大一個(gè)檔次來選擇，由于電動(dòng)機(jī)的額定電流為60A，所以接觸器的觸點(diǎn)電流 選70A即可。 3.5 PLC 的選型 3.5.1 I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì) 恒壓變頻供水控制系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)如表 3-5 所示。 表 3-5 I/O 統(tǒng)計(jì)表 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 19 3.5.2 PLC選型的基本原則 這是PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)中很重要的一步，目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的PLC種類很多，在選用PLC時(shí) 應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。 （1）規(guī)模要適當(dāng)； （2）功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理； （3）輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確； （4）要考慮環(huán)境條件。 根據(jù)以上原則，這次設(shè)計(jì)選擇西門子S7-200系列的CPU222AC/DC。 輸入器件輸出器件 編號符號名稱編號符號名稱 1SB1 啟動(dòng) 1KM1 1#泵變頻 2SB2 停止 2KM2 2#泵變頻 3S1 液位傳感器 3KM3 1#泵工頻 4S2 變頻器達(dá)到上限 4KM4 2#泵工頻 5S3 變頻器達(dá)到下限 5KM5 備用泵工頻 6S4 1#水泵故障 6L1 報(bào)警指示燈 7S5 2#水泵故障 8SS6 變頻器故障 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 20 3.5.3 I/O的分配 根據(jù)功能要求和工藝流程，我們統(tǒng)一了I/O接點(diǎn)的分配，分配表如表3.6所示。根據(jù) PLC口的分配，系統(tǒng)的控制要求以及合理利用I/O口的原則。 表 3-6 I/O 分配表 輸入器件輸出器件 I0.0 啟動(dòng)（SB0） Q0.0 驅(qū)動(dòng) KM1（1#泵變頻） I0.1 停止（SB1） Q0.1 驅(qū)動(dòng) KM2（2#泵變頻） I0.2 液位傳感器 Q0.2 驅(qū)動(dòng) KM3（1#泵工頻） I0.3 變頻器達(dá)到上限 Q0.3 驅(qū)動(dòng) KM4（2#泵工頻） I0.4 變頻器達(dá)到下限 Q0.4 驅(qū)動(dòng) KM5（備用泵工頻） I0.5 1#水泵故障 Q0.5 報(bào)警指示燈 I0.6 2#水泵故障 I0.7 變頻器故障 3.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)如圖3.4所示，采用了一臺變頻器同時(shí)連接兩臺電動(dòng)機(jī)，所以必 須確保開關(guān)KM1和KM2電氣連鎖，連鎖功能由軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。在變頻水泵出現(xiàn)問題或緊 急情況下，可以起用備用水泵。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 21 圖3-4 主電路圖 系統(tǒng)的控制線路如圖3-5所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 22 圖3-5 控制線路圖 3.7 PID 調(diào)節(jié) 3.7.1 PID 控制原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn) 定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng) 控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根據(jù) 系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤 差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error） 。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān) 系。對一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn) 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 23 態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error） 。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制 器中必須引入“積分項(xiàng)” 。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會 增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出 增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差 的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失 穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的 作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前” ， 即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例” 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)” ， 它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控 制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后 的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 3.7.2 PID 參數(shù)的預(yù)置 由于 SIEMENS MM430 變頻器自帶了 PID 模塊，我們不需要進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)， 只需進(jìn)行簡單的參數(shù)設(shè)置就可以了。首先將設(shè)置模擬輸入的 DIP 開關(guān) 1 撥到 ON 位置，選 擇為 420mA 輸入，將 DIP 開關(guān) 2 撥到 OFF 位置選擇電動(dòng)機(jī)的頻率，OFF 位置為 50Hz。 其它參數(shù)的設(shè)置如表 3.7 所示。 表 3-7 MM430 參數(shù)預(yù)置表 參數(shù)名稱參數(shù)名稱 P0003=2 用戶訪問級別為專家級 P2255=10 0 PID的增益系數(shù) P0004=22 參數(shù)濾過，選擇PID應(yīng)用 宏 P2256=10 0 PID微調(diào)信號的增益系 數(shù) P0700=2 選擇命令源，選擇為端 子控制 P2257=10 S PID設(shè)定值的斜坡加速 時(shí)間 P1000=2 頻率設(shè)定選擇為模擬設(shè) 定值 P2258=10 S PID設(shè)定值的斜坡減速 時(shí)間 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 24 P1080=5Hz 最小頻率 R2260=100 % 顯示PID的總設(shè)定值 P1082=50Hz 最大頻率 R2261=3S PID設(shè)定值的濾波時(shí)間 常數(shù) P2200=1 閉環(huán)控制選擇，PID功能 有效 R2262=100% 顯示濾波后的PID設(shè)定 值 P2231=1 允許存儲P2240的設(shè)定值 P2265=3S PID反饋立場撥時(shí)間常 數(shù) P2240=75% 鍵盤給定的PID設(shè)定值 P2267=10 0 PID反饋信號的上限值 P2253=2250 :0 選擇P2240的值作為PID 給定 P2268=0 PID反饋信號的下限值 P2250=100% 顯示P2240的設(shè)定值輸出P2269=100%PID反饋信號的的增益 P2254=0.0 缺省值，對微調(diào)信號沒 有選擇 P2291=10 0 PID輸出的上限 P2292=0.00 PID輸出的下限 P2280=3.00 PID的比例增益系數(shù) P2285=7.00 S PID的微分時(shí)間 P2294=100% 實(shí)際的PID控制器輸出 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 25 第四章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 4.1 編程軟件的簡單介紹 STEP7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7- 200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān) 控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)?，F(xiàn)在加上全中文化程序后，可在中文的界面下進(jìn)行操作，用戶 使用起來更加方便。 STEP7-Micro/WIN32的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用 戶程序，修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單的語法檢查功能。同 時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟 件設(shè)置PLC的工作方式，參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避 免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。 軟件的功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也 可以在離線工作方式下進(jìn)行。 S7-200PLC使用STEP7-Micro/WIN32編程軟 件進(jìn)行編程。單擊圖4.5所示的編程軟件圖標(biāo)可 進(jìn)入如圖4-6所示的操作界面，在此界面可完成 主程序，子程序，中斷程序的編制與修改，完成 圖4-5 STEP7編程軟件圖標(biāo) 程序編制后單擊保存，再單擊下載，程序即可供PLC使用。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 26 圖4-6 STEP7-Micro/WIN32操作界面 4.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 4.2.1 梯形圖的設(shè)計(jì) 在控制系統(tǒng)中，變頻器通過對電機(jī)出廠壓力點(diǎn)處設(shè)置的壓力變送器反饋信號，進(jìn) 行單閉環(huán)控制。PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部開關(guān)信號的輸入以及水池水位信號， 判斷當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)是否正常，然后執(zhí)行程序，由輸出信號去控制接觸器、繼電器和變 頻器等器件，以完成相應(yīng)的控制任務(wù)， PLC主要控制任務(wù)就是根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)工頻和 變頻的切換。 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，經(jīng)過化簡后的各變量的邏輯表達(dá)式如下： (4-1) 0.00.00.10.20.5 MIIII (4-2) 0.10.30.10.20.6 MIIII (4-3) 0.3330.10.20.5 MT III (4-4) 0.40.40.1 MII (4-5) 0.500.10.20.5 MC III 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 27 (4-6) 0.7340.10.20.6 MT III (4-7) 1.310.1 MC I (4-8)0.2 0.00.00.50.7 QMMMI (4-9) 0.10.10.60.7 QMMI (4-10) 0.20.30.40.7 QMMI (4.11) 0.30.71.30.7 QMMI (4-12) 0.40.50.6 QII (4-13) 0.50.50.6 QII 根據(jù)邏輯表達(dá)式（4-1）（4-13） ，設(shè)計(jì)的梯形圖如圖4-7所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 29 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 30 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 31 圖4-7 主程序 4.2.2 恒壓供水系統(tǒng)流程圖 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 32 電機(jī)啟動(dòng) 1 號泵變頻運(yùn)行 2 號泵變頻運(yùn)行 1 號泵工頻運(yùn)行 2 號泵變頻運(yùn)行 1 號泵變頻運(yùn)行 2 號泵工頻運(yùn)行 3 號泵工頻運(yùn)行 報(bào)警指示燈亮 變頻器達(dá)到上限 變頻器達(dá)到下限 變頻器再次達(dá)到上 限 變頻器再次達(dá)到下限 一號泵、二號泵、變頻器故障 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 33 圖4-8 Plc恒壓供水系統(tǒng)流程圖 4.3 程序的仿真與調(diào)試 4.3.1 仿真軟件的簡介 由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限，本次設(shè)計(jì)采用S7-PLCSIM進(jìn)行仿真。S7-PLCSIM是STEP7中的 一個(gè)非常實(shí)用的軟件。我們可以把它作為一臺仿真的PLC，用于運(yùn)行和測試用戶程序。因 為這中仿真完全是用STEP7軟件進(jìn)行，因此無需連接任何S7硬件，就可以在PG/PC上仿真 一個(gè)完整的S7-CPU，包括地址和I/O。 S7-PLCSIM提供了一個(gè)簡潔的操作界面，可以監(jiān)視或者修改程序中的參數(shù)，比如直 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 34 接對數(shù)字量進(jìn)行操作。下面我進(jìn)行仿真的地一步，打開軟件，如圖4-9所示。 圖4-9 S7-PLCSIM軟件的界面 4.3.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試 在編程窗口中把程序下載到仿真PLC中，如圖4-10所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 35 圖4-10 程序裝載界面 點(diǎn)擊開始按鈕，1#泵開始變頻運(yùn)行，如圖4-11所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 36 圖4-11 1#泵變頻運(yùn)行 變頻器達(dá)到上限，1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行，如圖4-12所示。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 37 圖4-12 1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行 當(dāng)水泵出現(xiàn)故障，啟動(dòng)備用泵，圖4-13為1#泵出現(xiàn)故障的界面。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 38 圖4-13 1#泵出現(xiàn)故障 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 39 第五章 總結(jié)與期望 5.15.1 總結(jié)總結(jié) 本課題主要研究的是某小區(qū)的恒壓供水。為此設(shè)計(jì)了一套具有高性能的變頻器控制 系統(tǒng)來代替原有的手動(dòng)啟動(dòng)、閥門控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)重點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需求，自動(dòng) 調(diào)節(jié)輸出頻率控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而保持系統(tǒng)工況壓力的穩(wěn)定。 根據(jù)供水的要求，此裝置屬于一拖二閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，且變頻器帶動(dòng)的電機(jī)可實(shí)現(xiàn)無 級調(diào)速。減少系統(tǒng)波動(dòng)現(xiàn)象和對電源電網(wǎng)的沖擊。此裝置在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng) 關(guān)閉電動(dòng)閥門，系統(tǒng)退出變頻式運(yùn)行，以避免中斷供水。 在工頻方式運(yùn)行下，系統(tǒng)帶有降壓啟動(dòng)裝置，在工頻啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)電流過大， 而避免對電網(wǎng)沖擊的影響，并可延長電機(jī)的使用壽命。裝置啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)與電動(dòng)閥門 同時(shí)開啟，停止時(shí)先關(guān)閉電動(dòng)閥門，電動(dòng)機(jī)延時(shí)停止，防止水錘現(xiàn)象，延長水泵使用壽 命。 5.2 展望 現(xiàn)有系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的工況控制、調(diào)節(jié)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控功能，將來還可以通過 對更多現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與傳輸，如電壓、電流、功率、水壓、水位、水流量等，通過開 發(fā)上位機(jī)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)具有綜合功能的供水自動(dòng)化控制與管理系統(tǒng)，提高后勤 管理能力.這部份工作有待在以后的學(xué)習(xí)與工作中來進(jìn)一步開展下去。 隨著各方面技術(shù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)能量卻日益緊缺，在 這種情況下，變頻恒壓供水系統(tǒng)的使用肯定會越來越普及，當(dāng)然對恒壓供水控制技術(shù)將 提出更高的要求。如對系統(tǒng)采用基于GPRS 的無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、通過網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng) 進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)等。另外本文的設(shè)計(jì)、控制方法完全可以用于恒風(fēng)壓控制，進(jìn)而實(shí) 現(xiàn)風(fēng)機(jī)的變頻節(jié)能，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)和水泵的能耗大約占整個(gè)電能能耗的三分之一左右。所以 變頻恒壓供水技術(shù)在逐漸走向成熟的過程中，仍然有必要對其進(jìn)行更深入的研究。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 40 參考文獻(xiàn) 1 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(yīng)用電子技術(shù)應(yīng)用， 2000，No.9: 38-39 2 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幾種常用的可編程控制器梯形圖的設(shè)計(jì)方法.機(jī)床電器,2004,No.5:43-48 19 陳懷忠. 西門子PLC和WinCC SCADA 在變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用. 自動(dòng)化儀表， 2005，No.5:34-39 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 42 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 43 致致 謝謝 對于這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成，我首先要感謝趙保亞老師，是她細(xì)心的給我講解了 許多關(guān)于 PLC、變頻器、供水原理相關(guān)的知識，并在設(shè)計(jì)過程中所遇到的難題都給了非 常重要的意見，本次設(shè)計(jì)能夠有較好的主體框架也得益于趙保亞講師的指導(dǎo)，導(dǎo)師淵博 的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、崇高的敬業(yè)精神與為人師表的風(fēng)范，使我受益匪淺，在此， 謹(jǐn)向趙保亞老師表示我最衷心的感謝。最后，我要感謝關(guān)心我們畢業(yè)設(shè)計(jì)的系領(lǐng)導(dǎo)和各 位老師，感謝你們四年來為我們付出的辛勤汗水；同時(shí)還要感謝學(xué)院圖書館給我們提供 的各種資料。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 44 附 錄 語句表 Network 1 / 1#泵變頻 LD I0.0 O M0.0 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.0 Network 2 / 變頻器達(dá)到上限,2#泵變頻 LD I0.3 O M0.1 AN I0.2 AN I0.6 AN I0.1 = M0.1 Network 3 / 變頻器達(dá)到上限,2#泵變頻 LD I0.3 O M0.2 AN I0.2 AN I0.6 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 45 AN I0.1 = M0.2 Network 4 / 變頻器達(dá)到上限,2#泵變頻 LD M0.2 TON T33, +200 Network 5 / 變頻器達(dá)到上限,2#泵變頻 LD I0.3 LD M1.1 CTU C0, +2 Network 6 / 時(shí)間到,1#泵工頻 LD T33 O M0.3 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.3 Network 7 / 變頻器達(dá)到下限,1#泵停止 LD I0.4 O M0.4 AN I0.1 = M0.4 Network 8 / 變頻器達(dá)到下限,1#泵停止 LD I0.4 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 46 LD M1.2 CTU C1, +2 Network 9 / 變頻器再次達(dá)到上限,1#泵變頻 LD C0 O M0.5 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.5 Network 10 / 變頻器再次達(dá)到上限,2#泵停止 LD C0 O M0.6 AN I0.2 AN I0.5 AN I0.1 = M0.6 Network 11 / 變頻器再次達(dá)到上限,啟動(dòng)定時(shí) LD M0.5 AN I0.2 AN I0.5 TON T34, +200 Network 12 / 變頻器再次達(dá)到上限,1#泵變頻 LD M0.5 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 47 = M1.1 Network 13 / 時(shí)間到，2#泵工頻 LD T34 O M0.7 AN I0.2 AN I0.6 AN I0.1 = M0.7 Network 14 / 變頻器再次達(dá)到下限,2#泵停止 LD C1 O M1.3 AN I0.1 = M1.3 Network 15 / 變頻器再次達(dá)到下限,2#泵停止 LD M1.2 = M1.2 Network 16 / 1#泵變頻 LD M0.0 AN M0.2 O M0.5 AN I0.7