畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于PLC的高樓恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、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(cè)控技術(shù)與儀器 作者所在班級(jí)： 作 者 姓 名 ： 作 者 學(xué) 號(hào) ： 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(guó)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

2、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(wèn)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(zhǎng)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(hào)的選擇

3、 .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(jiǎn)單介紹 .22 4.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) .23 4

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(jiǎn)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(yǔ)句表語(yǔ)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(lái)水流動(dòng)，把供水管網(wǎng)中 的自來(lái)水送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大

5、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(guó)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(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)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(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，會(huì)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

6、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

7、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(jiǎn)稱變頻恒壓供水，如圖 1.2)，對(duì)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(guó)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，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

8、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(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不 斷啟停會(huì)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(méi)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(méi)有水塔供水所帶來(lái)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(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。 1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 1.3.1 國(guó)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(lái)的。目前國(guó)外的恒壓供水 系統(tǒng)

9、變頻器成熟可靠，恒壓控制技術(shù)先進(jìn)。國(guó)外變頻供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)主要采用一臺(tái)變 頻器只帶一臺(tái)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(guó)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(guó)產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn) 口元件組裝或直接進(jìn)口國(guó)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(guó)產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng) 部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國(guó)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

10、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(jiǎn)單。由于這一范圍的用戶 群十分龐大，所以是目前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2) 國(guó)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(guó)產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。 (3) 大

11、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(guó)外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。 目前，國(guó)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(duì)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(shí)到這一情況， 并針對(duì)實(shí)際情況對(duì)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

12、 本課題主要通過(guò)研究 PLC 來(lái)控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過(guò)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(guò)程中，電控系統(tǒng)由 S7-200 完成， PID 控制由變頻器完成。最后，對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對(duì)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

13、 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(chǎng)所。液體由

14、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(huì)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(lái)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(lái)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)

15、論文 6 (1) 如果電動(dòng)機(jī)功率選得過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”現(xiàn)象，造成電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期過(guò) 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(guò)大，就會(huì)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(duì)用戶和電網(wǎng)不利，而且還會(huì)造成電能 浪費(fèi)。 因此，要正確選擇電動(dòng)機(jī)的功率， 對(duì)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

16、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(jiǎn)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(guò)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

17、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?cè)瓌?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(tái)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(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問(wèn)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(duì)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(lái)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)

18、可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓 供水系統(tǒng)正越來(lái)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(guò)關(guān)小或開大閥門來(lái)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(guò)改變水路中的阻力大小來(lái) 強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)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(guò)關(guān)小閥門 來(lái)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)

19、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(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)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(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)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(guò)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

20、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(lái)作為控制流量大小的參變量。就是說(shuō)，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(wèn)題 2.5.1 水錘效應(yīng) 異步電動(dòng)機(jī)在全電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)

21、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(duì)管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)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(guò)高，將引起管道的破裂，反之，壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì) 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(huì)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

22、啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大.在啟動(dòng)過(guò)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?jiǎn)?dòng) （b）變頻啟動(dòng) 圖2-4 水泵的全壓?jiǎn)?dòng)與變頻啟動(dòng) 在拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)升速時(shí)間的預(yù)置來(lái)

23、延長(zhǎng)啟動(dòng)過(guò)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(guò)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(guò)程中，同樣可以通過(guò)對(duì)降速時(shí)間的預(yù)置來(lái)延長(zhǎng)停機(jī)過(guò)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(zhǎng)水泵壽命的其他因素 水錘效應(yīng)的消除，無(wú)疑可大大延長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)。

24、 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(tái)水泵或循環(huán)控制多臺(tái)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(duì)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(chǎng)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

25、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(guò)PC機(jī)來(lái)改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)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

26、案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有1臺(tái)變頻器控制一臺(tái)水泵的簡(jiǎn)單控制方案， 也有一臺(tái)變頻器控制幾臺(tái)水泵的方案，下面重點(diǎn)介紹一臺(tái)變頻器控制幾臺(tái)水泵的特點(diǎn)。 利用單臺(tái)變頻器控制多臺(tái)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(tái)變頻器控制2臺(tái)水泵的方案來(lái)說(shuō)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(tái)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(hào)泵在變 頻器控制下運(yùn)行，2號(hào)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，

27、則1號(hào)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(tái)水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)，1號(hào)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(hào)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(guò)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(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)，可將1號(hào)泵電機(jī) 停運(yùn)，2號(hào)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(hào)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(tái)水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控 制系統(tǒng)的控制

28、，2號(hào)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(hào)泵電 機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。 1 號(hào)泵變頻運(yùn)行 2 號(hào)泵停止 2 號(hào)泵變頻運(yùn)行 1 號(hào)泵工頻運(yùn)行 2 號(hào)泵變頻運(yùn)行 1 號(hào)泵停止 1 號(hào)泵變頻運(yùn)行 2 號(hào)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(tái)水泵工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，2號(hào)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(hào)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(tái)水泵工作已能滿

29、足系統(tǒng)用水的要求，此時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)的控制，可將2號(hào) 泵電機(jī)停運(yùn)，1號(hào)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.

30、040.082.52.0 2 有給水衛(wèi)生器具，但無(wú)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(wú)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

31、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(hào)和臺(tái)數(shù),并對(duì)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 4010

32、0DL218.518.5 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(tái)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(hào)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

33、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(hào)為100DL3，共3臺(tái)(其中一臺(tái)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(hào)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

34、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(cè)、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

35、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(hào)引腳名稱功能引腳序 號(hào) 引腳名稱功能 1+10V12AOUT1+ 20 電源電壓 13AOUT1- 模擬輸出1 3AIN1+14PTCA 4AIN1-

36、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(hào)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(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大、溫度補(bǔ) 償及非線性修正、V/I變換等處理，對(duì)供電電壓要求寬松，具有420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。 一對(duì)導(dǎo)線同時(shí)用于電源供電及信號(hào)傳輸，輸出信號(hào)與環(huán)路導(dǎo)線電阻無(wú)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(chǎng)數(shù)字顯示的隔爆型產(chǎn)品?？蓮V 泛應(yīng)用于

37、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(cè)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(hào)輸出、良好的互換性、抗干擾性強(qiáng)； （4）最具有競(jìng)爭(zhēng)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(chǔ)水池、污水池、水井、水箱的水位測(cè)量，油 池、油罐的油位測(cè)量，江河湖海的深度測(cè)量。接受與液體深度成正比的液壓信號(hào)，并將 5DINN116DIN5 6DINN217DIN6 數(shù)字輸入 7DINN326AOUT2+ 8DINN4 數(shù)字輸入 27AOUT2- 模擬輸出2 9

38、+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(jiǎn)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(guò)電流及欠電壓等保護(hù)功能,當(dāng)變頻器的 輸

39、入側(cè)發(fā)生短路或電源電壓過(guò)低等故障時(shí),可迅速進(jìn)行保護(hù)?？紤]變頻器允許的過(guò)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(lái)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

40、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(lái)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(guó)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

41、。 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(hào)符號(hào)名稱編號(hào)符號(hào)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

42、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(tái)變頻器同時(shí)連接兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，所以必 須確保開關(guān)KM1和KM2

43、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(wèn)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(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問(wèn)世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)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

44、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(chǎng)調(diào)試來(lái)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(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)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(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤 差信號(hào)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(hào)的積分成正比關(guān) 系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制

45、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(jiǎn)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(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì) 增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)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(wú)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(hào)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)

46、過(guò)程中可能會(huì)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(shuō)，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(cè)誤差變化的趨勢(shì)，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(duì)有較大慣性或滯后 的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 3.7.2

47、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(jiǎn)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(wèn)級(jí)別為專家級(jí) P2255=10 0 PID的增益系數(shù) P0004=22 參數(shù)濾過(guò)，選擇PID應(yīng)用 宏 P2256=10 0 PID微調(diào)信號(hào)的增益系 數(shù) P070

48、0=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(chǔ)P2240的設(shè)定值 P2265=3S PID反饋立場(chǎng)撥時(shí)間常 數(shù) P2240=75% 鍵盤給定的PID設(shè)

49、定值 P2267=10 0 PID反饋信號(hào)的上限值 P2253=2250 :0 選擇P2240的值作為PID 給定 P2268=0 PID反饋信號(hào)的下限值 P2250=100% 顯示P2240的設(shè)定值輸出P2269=100%PID反饋信號(hào)的的增益 P2254=0.0 缺省值，對(duì)微調(diào)信號(hào)沒(méi) 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

50、的簡(jiǎn)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)。現(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(lái)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(guò)程中編輯器具有簡(jiǎn)單的語(yǔ)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(guò)程中的語(yǔ)法

51、檢查功能可以提前避 免一些語(yǔ)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

52、，變頻器通過(guò)對(duì)電機(jī)出廠壓力點(diǎn)處設(shè)置的壓力變送器反饋信號(hào)，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(hào)的輸入以及水池水位信號(hào)， 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(hào)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(guò)化簡(jiǎn)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) 0.5

53、00.10.20.5 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

54、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(hào)泵變頻運(yùn)行 2 號(hào)泵變頻運(yùn)行 1 號(hào)泵工頻運(yùn)行 2 號(hào)泵變頻運(yùn)行 1 號(hào)泵變頻運(yùn)行 2 號(hào)泵工頻運(yùn)行 3 號(hào)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(hào)泵、二號(hào)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(jiǎn)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

55、它作為一臺(tái)仿真的PLC，用于運(yùn)行和測(cè)試用戶程序。因 為這中仿真完全是用STEP7軟件進(jìn)行，因此無(wú)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(jiǎn)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(duì)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

56、，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(lái)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)

57、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(wú) 級(jí)調(diào)速。減少系統(tǒng)波動(dòng)現(xiàn)象和對(duì)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?jiǎn)?dòng)裝置，在工頻啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)電流過(guò)大， 而避免對(duì)電網(wǎng)沖擊的影響，并可延長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)還可以通過(guò) 對(duì)更多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，如電壓

58、、電流、功率、水壓、水位、水流量等，通過(guò)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(lái)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(huì)越來(lái)越普及，當(dāng)然對(duì)恒壓供水控制技術(shù)將 提出更高的要求。如對(duì)系統(tǒng)采用基于GPRS 的無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)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

59、走向成熟的過(guò)程中，仍然有必要對(duì)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 馬桂梅，譚光儀.陳次昌泵變頻調(diào)速時(shí)的節(jié)能方案討論.四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào). 2003，No.9: 5-7 3 崔金貴.變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào).2000， No.1: 84-88 4 吳民強(qiáng).泵與風(fēng)機(jī)節(jié)能技術(shù)水利電力出版社，1994:2-6 5 張燕賓.變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐機(jī)械工業(yè)出版社，2002:244-251 6 付娟.交流調(diào)速技米電子工業(yè)出版社，2002:1-7 7

60、葉汝裕.水泵風(fēng)機(jī)的節(jié)電及技術(shù)改造重慶大學(xué)出版社，1998:1-4 8 徐士鳴.泵與風(fēng)機(jī)原理與應(yīng)用.大連理工大學(xué)出版社，1992:12-24 9 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械工業(yè)出版社，1992:10-19 10 周玉國(guó).變頻調(diào)速節(jié)能分梳東北電力技術(shù)，2004，No.8:4-4 11 吳浩烈.電機(jī)及電力拖動(dòng)基鹼重慶大學(xué)出版社，1996:173-174 12 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版，1933:197-206 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 41 13 胡躍冰.水泵電機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能與計(jì)算節(jié)能技術(shù)，2003，No.5:48 14 中國(guó)工空信息網(wǎng) 15 西門子（中國(guó)）自動(dòng)化網(wǎng) 16

61、 張春光.全自動(dòng)變頻調(diào)速供水泵運(yùn)行工況與節(jié)能分析.節(jié)能技術(shù)，2003，No.5:4l-44 17 任國(guó).泵變頻調(diào)速節(jié)能的理論分析與應(yīng)甩計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)么，1994，No.4:37-39 18 陸秀令. 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(duì)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)

62、的知識(shí)，并在設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)、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(lái)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(yǔ)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 L

63、D 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

64、 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) L

65、D 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