畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于PLC的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試.doc

XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 XXXXXXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于基于 PLCPLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 XXX 班 級 專 業(yè) 機電一體化 教 學(xué) 系 機電系 指導(dǎo)老師 完成時間 2011 年 月 日至 2011 年 月 日 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 I 摘摘 要要 本文介紹了恒壓供水的基本原理以及系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，說明了可編程控制器 （PLC）在恒壓供水系統(tǒng)中所擔任的角色。從系統(tǒng)的整體設(shè)計方案和實際需求分析 開始，緊密的聯(lián)系實際生活的需要，力求做到使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便，解決實 際中問題，保證供水安全、快捷、可靠。恒壓供水保證了供水質(zhì)量，以 PLC 為主機 的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：恒壓供水，變頻器，壓力傳感器，PLC，組態(tài)軟件 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 0 目目 錄錄 摘摘 要要II 第一章第一章 恒壓供水介紹恒壓供水介紹.3 1.11.1 恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義3 1.21.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3 1.31.3 全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍4 第二章第二章 PLCPLC、變頻器、變頻器、MCGSMCGS 組態(tài)軟件介紹組態(tài)軟件介紹5 2.12.1 可編程控制器可編程控制器5 2.1.1 可編程控制器的介紹.5 2.1.2 可編程控制器 PID 控制原理與特點 .5 2.1.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 6 2.22.2 4A/D4A/D 及及 4D/A4D/A 擴展模塊擴展模塊9 2.2.1 模擬量輸入模塊 FX2N-4AD.9 2.2.22.2.2 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊 FX2N-4DAFX2N-4DA.10 2.32.3 變頻器變頻器11 2.3.1 變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu).11 2.3.2 變頻控制恒壓供水控制方式12 2.3.32.3.3 變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義13 2.42.4 MCGSMCGS 組態(tài)軟件組態(tài)軟件14 2.4.1 MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) 14 第三章第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析與節(jié)能原理變頻恒壓供水系統(tǒng)分析與節(jié)能原理.15 3.13.1 恒壓供水系統(tǒng)工藝簡介恒壓供水系統(tǒng)工藝簡介15 3.23.2 供水系統(tǒng)的基本特征和方式供水系統(tǒng)的基本特征和方式16 3.33.3 常用調(diào)速方式及變頻調(diào)速原理常用調(diào)速方式及變頻調(diào)速原理17 3.43.4 恒壓調(diào)速運行的節(jié)能分析恒壓調(diào)速運行的節(jié)能分析19 3.4.1 供水系統(tǒng)的節(jié)能原理19 3.4.2 系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析及系統(tǒng)優(yōu)點：21 第四章第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計.22 4.14.1 設(shè)備的選型設(shè)備的選型.22 4.24.2 控制系統(tǒng)的硬件分析控制系統(tǒng)的硬件分析.23 4.2.1 硬件接線.23 4.2.2 控制電路25 4.2.3 PLC 系統(tǒng)選型 26 DOCUMENT TITLE XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 1 4.2.4 系統(tǒng)控制要求及梯形圖程序.27 4.34.3 MCGSMCGS 組態(tài)軟件組態(tài)軟件28 4.44.4 MCGSMCGS 與與 PLCPLC 之間的連接之間的連接31 第五章第五章 系統(tǒng)的調(diào)試與運行系統(tǒng)的調(diào)試與運行.32 5.15.1 調(diào)試過程調(diào)試過程32 5.25.2 系統(tǒng)總裝調(diào)試及主意問題系統(tǒng)總裝調(diào)試及主意問題.33 5.35.3 系統(tǒng)運行系統(tǒng)運行.33 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.33 參考文獻參考文獻.34 附錄附錄 （系統(tǒng)程序設(shè)計）（系統(tǒng)程序設(shè)計）.35 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 2 第一章第一章 恒壓供水介紹恒壓供水介紹 1.11.1 恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 供水系統(tǒng)在各行各業(yè)的生產(chǎn)和生活中起著至關(guān)重要的作用。如何保證供 水系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定地運行是很多行業(yè)都關(guān)注的問題。把先進的 PLC 控制 技術(shù)和變頻技術(shù)等自動化控制技術(shù)應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的要求。 要保障供水網(wǎng)的末端工作壓力和供水始端壓力正常顯得尤其重要和關(guān)鍵。通常， 供水系統(tǒng)全天各時段用水量變化較大，如果不及時對供水量及供水壓力進行調(diào) 節(jié)，會使整個供水管網(wǎng)的壓力處于波動狀態(tài)，嚴重的還會引發(fā)管網(wǎng)失壓或爆管 事故，將對供水質(zhì)量造成極大不利影響。 在供水系統(tǒng)中，如果用戶用水量需要變化時，利用改變閥門開度變化傳統(tǒng) 的調(diào)整方法，會造成供水壓力不足或過大情況，容易造成資源浪費和產(chǎn)生安全 隱患。因此在一些用水量變化大、水壓控制高，并且流量完全由用戶確定的供 水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速技術(shù)則顯得尤為重要。 當前我國供水運行管理仍然比較落后，水資源浪費現(xiàn)象十分嚴重，不能適 應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。因此在供水網(wǎng)絡(luò)中需要采用供水優(yōu)化調(diào)整方案，引入 計算機、變頻器、可編程控制器等先進技術(shù)，使供水網(wǎng)絡(luò)在最佳狀態(tài)下運行， 具有重要的現(xiàn)實意義。只有強化水資源的同意管理，進行合理開發(fā)，才能促進 國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。 1.21.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 二十世紀 60 年代在電子計算機的推廣應(yīng)用帶動下，可編程控制器開始問世 并被逐漸廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的生產(chǎn)線繼電器控制系統(tǒng)；隨著時間的推移，在二 十世紀 90 年代變頻器開始應(yīng)用在電氣傳動控制系統(tǒng)中，這種現(xiàn)代變頻器的應(yīng)用 迅速成為國內(nèi)外電氣傳動界的關(guān)注熱點。變頻器目前被國內(nèi)外廠家廣泛應(yīng)用于 礦山機械、冶金、水泥、鋼鐵、化工、電力、機械制造、汽車、輕工、環(huán)保及 自動恒壓供水系統(tǒng)等領(lǐng)域。在同一時期，PLC 構(gòu)成的 PLC 網(wǎng)絡(luò)和變頻器有機結(jié) 合的應(yīng)用飛躍式發(fā)展，使其日益成為工業(yè)現(xiàn)在化首選的控制裝置，成為現(xiàn)代工 業(yè)自動化的重大支柱之一。 在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧的變頻恒壓供水系統(tǒng)，逐漸越來越多運用在生活和生 產(chǎn)實踐中。在英國、德國、每過、日本等發(fā)達國家的 VVVF 變頻器在工業(yè)生產(chǎn) 過程的自動控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 考慮到傳統(tǒng)的供水設(shè)備的不足之處，諸多國外生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了 一系列新產(chǎn)品，例如華為的 TD2100;施耐德公司的 Altivar58 泵切換卡；ABB 公 司 ACS600、ACS400 系列產(chǎn)品；富士公司的 G11S/P11S 系列；西門子公司的 MM420/MM440 系列；SANKEN 的 SAMCO-系列產(chǎn)品等等。上述產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以簡易的可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成帶有各種新型變 頻器。由于 PID 運算在變頻器內(nèi)部，這樣就省去了可對變成控制器存貯容量的 要求和對 PID 算法的編程，而且 PID 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 3 成本，而且大大提高了工作效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu) 化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分穩(wěn)定。還考慮到為了保證水壓反饋信號的準確、 不失真，又可以對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可以對反饋信號進行換算， 保證了系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單、方便。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高， 但是功能卻增強很多，所以采用帶有內(nèi)置 PID 功能的變頻器生產(chǎn)出來的恒壓供 水設(shè)備，使設(shè)備成本大大降低。 在 20 世紀 90 年代初我國引進德國西門子公司的 PLC 技術(shù)，同時變頻器也 開始起步應(yīng)用于我國，恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程， 2008 年至今中國變頻恒壓自動供水設(shè)備市場發(fā)展迅速，產(chǎn)品產(chǎn)出持續(xù)增長，國 家產(chǎn)業(yè)政策鼓勵變頻恒壓自動供水設(shè)備產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)產(chǎn)品方向發(fā)展，國內(nèi)企業(yè) 新增投資項目投資逐漸增多。投資者對變頻恒壓自動供水設(shè)備行業(yè)的關(guān)注越來 越密切，這使得變頻恒壓自動供水設(shè)備行業(yè)的發(fā)展需求迅速增大。 1.31.3 全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及適用范圍 1、系統(tǒng)特點 (1)高效節(jié)能。按需要設(shè)定供水壓力，根據(jù)管網(wǎng)用水量來變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使 水泵始終在高效率工況下運行，同普通的無塔供水設(shè)備相比，節(jié)能效果達到 20。 (2)對電網(wǎng)沖擊小，保護功能完善。消除了水泵電機直接起動時對電網(wǎng)的沖擊和 干擾，并且設(shè)備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、 過熱等多種保 護功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。 (3)定時喚醒功能。由于系統(tǒng)是根據(jù)管網(wǎng)用水量的多少來決定投入運行水泵的臺 數(shù)，所以當用水量長期在某一小范圍內(nèi)變化時就會使得某臺水泵長期運行而磨 損嚴重，而其他水泵長期不使用造成生銹，設(shè)定本功能后則可方便的解決該問 題。對于同流量的多臺水泵，為使各泵平均工作時間相同，須設(shè)置定時換泵功 能。在設(shè)定了定時換泵功能后，當一臺變量泵連續(xù)工作時間超過設(shè)定值后，且 有變量泵處于“休息”狀態(tài)，則變頻器自動切換啟動“休息”時間最長的變量泵， 并停止原變量泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。換泵時 間可任意設(shè)定。 (4)當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻運行，確保供水不間斷。突然停 電后再來電，設(shè)備能夠自動啟動運行。 2、適用范圍: 廣泛應(yīng)用于居民區(qū)、賓館及其它公共建筑的生活用水、鍋爐補給水，加壓泵站、 各類工礦企業(yè)的生產(chǎn)用水、消防用水、鍋爐恒壓補水、輸油管道增壓、注水系 統(tǒng)、農(nóng)田灌溉等。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 4 第二章 PLC、變頻器、MCGS 組態(tài)軟件介紹 2.12.1 可編程控制器可編程控制器 2.1.1 可編程控制器的介紹可編程控制器的介紹 可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）簡稱 PLC,主要用于順 序控制，雖然采用了計算機的設(shè)計思想，但是實際上只能進行邏輯運算。隨著 計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC 的功能不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了邏輯控制 和順序控制的范圍，具備了模擬量的控制、過程控制以及遠程通信等強大的功 能。 國際電工委員會（IEC）于 1987 年對 PLC 定義為：PLC 是專為在工業(yè)環(huán)境 下應(yīng)用而設(shè)計的一種數(shù)字運算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序 的控制器。它能夠存儲和執(zhí)行命令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和 算術(shù)等的操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生 產(chǎn)過程。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易 于擴展其功能的原則設(shè)計。 事實上，PLC 就是以嵌入式 CPU 為核心，配以 I/O 等模塊，可以方便地用 于工業(yè)控制領(lǐng)域的裝置。因此，PLC 實際上就是：“工業(yè)專用計算機” 2.1.2 可編程控制器可編程控制器 PID 控制原理與特點控制原理與特點 在工程實際中，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，控制理 論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試 來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。即當我們不能完全了解一個系統(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，最適合用 PID 控制 技術(shù)。PID 控制，實際中也有 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、微分計算出控制量進行控制的。 (1)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。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady- stateerror） 。 (2)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。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控 制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemwithSteady-stateError） 。為了消 除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分， 隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間 的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 5 因此，比例 積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 (3)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，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”項往往是不夠的，比例項的 作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，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，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(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)過程中的動態(tài)特性。 現(xiàn)在很多中小型 PLC 都提供 PID 控制用的功能指令，如 FX2N 系列 PLC 的 PID 指令，它實際上是用于 PID 控制的子程序，與 ADDA 模塊一起使用， 可以得到過程控制模塊的效果。 FX2N 的 PID 功能指令說明如圖 2-1 所示。 X0 FNC88 PID D0D1D100 D150 S1S2S3D SV SV mV 圖 2-1 PID 功能指令說明 2.1.3 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 1、PLC 的基本結(jié)構(gòu) (1).PLC 的硬件組成 可編程控制器主要由微處理器(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入輸出接 口(I/O)、電源和編程器等幾個部分組成。PLC 硬件結(jié)構(gòu)如圖 2-2 所示。 圖 2-2 PLC 硬件結(jié)構(gòu) 微處理器（CPU） CPU 是 PLC 的運算控制中心，PLC 在 CPU 的控制下，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部 分的工作，執(zhí)行監(jiān)控程序，進行信息和數(shù)據(jù)的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制 信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)備的控制。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 6 存儲器 可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器(ROM)和用戶存儲器(RAM)。 系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序。用戶存儲器：存放用戶編制的應(yīng)用程序和工 作數(shù)據(jù)。 輸入輸出接口 輸入輸出接口是 PLC 和現(xiàn)場輸入與輸出設(shè)備連接的部分。 A)輸入接口 輸入接口電路用來接收和采集現(xiàn)場輸入信號，輸入回路中公 共點 COM 通過輸入元件連接到對應(yīng)的輸入點上，再通過輸入繼電器將輸入元 件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠識別和處理的信號，并存儲到輸入映像寄存器中。 PLC 輸入回路接線如圖 2-3 所示。 圖 2-3 PLC 輸入回路接線 B)輸出接口 輸出接口電路就是 PLC 的負載驅(qū)動回路，通過輸出接口， 將負載和負載電源連接成一個回路，這樣負載就由 PLC 輸出接口的 ON/OFF 進 行控制，輸出接口為 ON 時，負載得到驅(qū)動。PLC 輸出回路接線如圖 2-4 所示。 圖 2-4 PLC 輸出回路接線 (2).PLC 的軟件組成 PLC 的軟件由系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶軟件程序組成。 1)系統(tǒng)監(jiān)控程序是每一臺 PLC 必須包括的部分，是由 PLC 的制造者編制的， 用于控制 PLC 本身的運行。系統(tǒng)監(jiān)控程序分成管理程序、用戶指令解釋程序、 標準程序或系統(tǒng)調(diào)用子程序。 2)用戶程序是 PLC 的使用者編制的針對控制問題的程序。它是用梯形圖或 某種 PLC 指令助記符編制而成的，可以是梯形圖、指令表、高級語言、匯編語 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 7 言等，其助記符形式 PLC 型號的不同而略有不同。用戶程序是線性地存儲在系 統(tǒng)監(jiān)控程序指令的存儲空間內(nèi)的，它的最大容量也是由監(jiān)控程序限制的。 2、PLC 的工作原理 (1)PLC 控制邏輯的實現(xiàn) PLC 是一種工業(yè)控制計算機，其工作原理是建立在計算機工作原理之上的， 是通過執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶程序來實現(xiàn)控制的。由于計算機在每一瞬間只 能做一件事，其 CPU 是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，所以程序的執(zhí)行時 按順序依次完成相應(yīng)的動作，這便形成時間上的串行，即串行工作方式。 (2)PLC 的工作方式 采用循環(huán)掃描方式。在 PLC 處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程 序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。 注意：由于 PLC 是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化， 輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能 改變。PLC 循環(huán)掃描過程如圖 2-5 所示。 停止 圖 2-5 PLC 循環(huán)掃描過程 (3)PLC 的工作過程 PLC 的工作過程主要分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸 出處理幾個階段。 1）內(nèi)部處理階段 在此階段，PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器，以及完 成一些其它內(nèi)部工作。 2）通信服務(wù)階段 內(nèi)部處理 通信操作 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 8 在此階段，PLC 與一些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程 器的顯示內(nèi)容等，當 PLC 處于停狀態(tài)時，只進行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。 3）輸入處理 輸入處理也叫輸入采樣。在此階段順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并 將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映象寄存器。在此輸入映象寄存器被刷新， 接著進入程序的執(zhí)行階段。 4）程序執(zhí)行 根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描， 執(zhí)行程序。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn) 地址。若用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時，PLC 從輸入映象寄存器中讀出上一 階段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應(yīng)映象寄存器的當前 狀態(tài)。根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。 5）輸出處理 程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y 寄存器的 狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路， 使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負載。 2.22.2 4A/D4A/D 及及 4D/A4D/A 擴展模塊擴展模塊 2.2.1 模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊 FX2N-4AD 1、FX2N4AD 的功能 FX2N4AD 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸入模塊，有四個輸入通道，每個通道 都可進行 A/D 轉(zhuǎn)換。即將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給 PLC,以實現(xiàn)對過程參 數(shù)的控制。 2、FX2N4AD 的外部接線 FX2N-4AD 外部接線如圖 2-6 所示。圖中模擬量信號采用雙絞屏蔽電纜輸入 FX2N4AD 中，電纜應(yīng)遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸入 電壓有波動，或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 0.10.47uF 的平滑電 容。 FX2N-4AD 的 4 個輸入通道（CH1CH4）通過輸入端子接線，可以選擇為電 壓輸入或電流輸入。如果是電流輸入，應(yīng)將端子 V+和 I+連接。 FX2N-4AD 接地端應(yīng)與 PLC 主單位接地端連接，如果存在過多的電氣干擾， 還應(yīng)將外殼地端 FG 和 FX2N-4AD 接地端連接。其外部接線如圖 2-6 所示。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 9 于于 V+ I+ VI- FG 于于 V+ I+ VI- FG 24+ 24- 于于于于 -20 - +20mA 于于于于 -10 - +10V 于于于于4 CH4 于于于于1 CH1 于于于于 DC24V10 55mA 于于于于 于于100? 于于于于 250? 100K? 100K? CH4 AG 250? 100K? 100K? CH4 DC/DC 于于于 AG +15V -15V 于于于于于于于 FX2N-4AD 圖 2-6 FX2N-4AD 外部接線 在 A/D 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是時間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，而輸出 的則是時間上，幅值上均離散的數(shù)字量，因此，要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字時需經(jīng) 采樣、保持、量化、編碼四個步驟。A/D 轉(zhuǎn)換原理框圖如圖 2-7 所示。 圖圖 2-7 A/D 轉(zhuǎn)換原理框圖 2.2.22.2.2 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊 FX2N-4DAFX2N-4DA 1、FX2N4DA 的功能 FX2N4DA 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸出模塊，有四個輸入通道，每個 通道都可進行 D/A 轉(zhuǎn)換，即將 PLC 處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出， 以實現(xiàn)對現(xiàn)場過程參數(shù)的控制。 2、FX2N-4DA 的外部接線 FX2N4DA 的外部接線如圖 2-8 所示。圖中模擬量輸出信號采用雙絞屏蔽 電纜傳輸，電纜應(yīng)遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。如果輸出電壓 波動或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 0.10.47uF 的平滑電容。 FX2N4DA 的 4 個輸出通道（CH1CH4）通道輸出端子接線，可以獨立 的選擇為電壓輸出或電流輸出。電壓輸出端子為 V+和 VI-；電流輸出端子 I+和 VI-。 FX2N4DA 接地端應(yīng)與 PLC 主單元接地端連接；雙絞屏蔽電纜應(yīng)在負載 端使用單點接地。其外部接線如圖 2-8 所示。 模 擬 量 采 樣 保持量化編碼數(shù)字量 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 10 控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控 制 指 令 控 制 指 令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運行指令 24+ 24- V+ VI- V+ VI- I+ I+ 于于于于 于于于于 +15V AG -15V 于于于于于于于 FX2N-4DA PLC DC24V,200mA 于于 于于 DC/DC 于于 于 CH1于于于于 CH2于于于于 圖 2-8 FX2N4DA 的外部接線 在 D/A 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是幅值上均離散的數(shù)字量，輸出的是時間上、 幅 值上都是連續(xù)的模擬量，因此，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量時需經(jīng)控制對象、 檢測對象、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字系統(tǒng)、D/A 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機構(gòu)六個步驟。D/A 轉(zhuǎn)換原 理 框圖如圖 2-9 所示。 圖 2-9 D/A 轉(zhuǎn)換原理框圖 2.32.3 變頻器變頻器 2.3.1 變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu)變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu) 從頻率變換的形式來說，變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻 器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻 器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。然后再把直 流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電又稱間接式變頻器。市售通用變頻 器多是交-直-交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 2-10 所示. 控制 對象 檢測 對象 A/D 轉(zhuǎn)換 數(shù)字 系統(tǒng) D/A 轉(zhuǎn)換 執(zhí)行 機構(gòu) XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 11 圖 2-10 變頻器基本結(jié)構(gòu) 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各 部分的功能分述如下： （1）整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相(也可以是單 相)交流整流成直流。 （2）直流中間電路 直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑， 以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負載多為 異步電動機，屬于感性負載。無論是電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因 數(shù)總不會為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。 這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件(電容器或電抗器)來緩沖。所以又 常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 （3）逆變器 負載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路 的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào)節(jié)的 交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 （4）控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極 驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器 的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能?？刂齐娐肥亲冾l器的 核心部分，其性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成直流中間電路的儲能 元件在整流電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大 容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些 輔助電路。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三 橋式逆變電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的 三相交流輸出?，F(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數(shù)字化控制 為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件保障。 2.3.2 變頻控制恒壓供水控制方式變頻控制恒壓供水控制方式 眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即 N=KN3 N：為水泵消 耗功率；n：為水泵運行時的轉(zhuǎn)速；K 為比例系數(shù)。而水泵設(shè)計是按工頻運行時 設(shè)計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及 微機技術(shù)有微機控制，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終 達到節(jié)能的目的。實踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速 降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達 20%-40%。 目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的供水設(shè)備電控柜，除采用落后繼電接觸器控制方式 外，大致有以下四類：邏輯電子電路控制方式、單片微機電路控制方式、帶 PID 回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器（PLC）的控制方式和新型變頻調(diào)速供水設(shè) 備。 變頻控制恒壓供水的控制方式是帶有 PID 回路調(diào)節(jié)器和可編程序控制器 （PLC）的控制方式。該方式中變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源， 實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水 壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓 力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算， XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 12 輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋 信號送入 PID 回路調(diào)節(jié)器，由 PID 回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進行運算后，輸入 給變頻器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。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(shè)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(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)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(shè)備中，PID 控制信號的產(chǎn)生和輸出 就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 2.3.32.3.3 變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義 變頻器主要由整流（交流變直流） 、濾波、再次整流（直流變交流） 、制動 單元、驅(qū)動單元、檢測單元、微處理單元等組成的。 變頻器的接口組成如圖 2-11 所示。 圖 2-11 變頻器的接口組成 我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式位： n 60 f(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； XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 13 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。 2.42.4 MCGSMCGS 組態(tài)軟件組態(tài)軟件 MCGS(Monitor And Control Generated System,通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套全中文 工控組態(tài)軟件,用于快速構(gòu)造和生成計算機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件,它能夠在基于 Microsoft 的各種 32 位 Windows 平臺上運行,可以以 Microsoft 的 Windows 95,98,Me,Nt 或 windows 2000 為操作系統(tǒng).通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理,以動畫顯 示,報警處理,流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方 案,有著廣泛的應(yīng)化領(lǐng)域用.它功能齊全，便于方案設(shè)計。MCGS 為解決工程監(jiān)控 問題提供了豐富多樣的手段，從設(shè)備驅(qū)動（數(shù)據(jù)采集）到數(shù)據(jù)處理、報警處理、 流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環(huán)節(jié)，均有豐富的功能組件 能快速完成多數(shù)簡單工程項目的監(jiān)控程序設(shè)計和運行操作。用戶可避開復(fù)雜的 計算機軟硬件問題，集中精力解決工程本身的問題， ，組態(tài)配置出高性能、高可 靠性、高度專業(yè)化的上位機監(jiān)控系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、 可維護性強的突出特點。 2.4.1 MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu)組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) MCGS 組態(tài)軟件（以下簡稱 MCGS）由“MCGS 組態(tài)環(huán)境”和“MCGS 運 行環(huán)境”兩個系統(tǒng)組成。兩部分互相獨立，又緊密相關(guān) 圖 2-12MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) MCGS 組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序 McgsSet.exe 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。用戶在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全 部組態(tài)工作后，生成擴展名為.mcg 的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 14 MCGS 運行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。 MCGS 工程的五大部分 圖 2-13MCGS 的工程組成 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設(shè)備窗 口和多個用戶窗口，負責調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作 包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計封面圖形，確定自動啟動的窗口， 設(shè)定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。 設(shè)備窗口：是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集 與控制輸出設(shè)備，注冊設(shè)備驅(qū)動程序，定義連接與驅(qū)動設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。 用戶窗口：本窗口主要用于設(shè)置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種 動畫顯示畫面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。 實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工程的 各個部分連接成有機的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù) 據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設(shè)備驅(qū)動的對象。 運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序 （ifthen 腳本程序） ，選用各種功能構(gòu)件，如：數(shù)據(jù)提取、歷史曲線、定時器、 配方操作、多媒體輸出等。 第三章第三章 變頻恒壓供水系統(tǒng)分析與節(jié)能原理變頻恒壓供水系統(tǒng)分析與節(jié)能原理 3.13.1 恒壓供水系統(tǒng)工藝簡介恒壓供水系統(tǒng)工藝簡介 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制方法是：在變頻供水系統(tǒng)中，主要單元采用 可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)，執(zhí)行組件為運行的電動機，通過水管壓力實際參 數(shù)與給定壓力差值的變化自動調(diào)節(jié)達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。 技術(shù)工藝，是衡量一個企業(yè)是否具有先進性，是否具備市場競爭力，是否 能不斷領(lǐng)先于競爭者的重要指標依據(jù)。隨著我國變頻恒壓供水系統(tǒng)市場的迅猛 發(fā)展，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點。了 解國內(nèi)外變頻恒壓供水系統(tǒng)生產(chǎn)核心技術(shù)的研發(fā)動向、工藝設(shè)備、技術(shù)應(yīng)用及 趨勢對于企業(yè)提升產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格，提高市場競爭力十分關(guān)鍵。 本文通過參考大量專利文獻對變頻恒壓供水系統(tǒng)的工藝技術(shù)進展做了系統(tǒng) XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 15 介紹，通過詳細的調(diào)查和權(quán)威技術(shù)資料及相關(guān)情報的收集，為用戶提供了變頻 恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)品核心技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)研發(fā)、工藝設(shè)備配套、高端技術(shù)應(yīng) 用等多方面的信息，對于企業(yè)了解各類變頻恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)及其發(fā) 展狀況十分有益。 3.23.2 供水系統(tǒng)的基本特征和方式供水系統(tǒng)的基本特征和方式 我國是一個發(fā)展中的大國，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生 產(chǎn)循環(huán)供水等方面一直存在著技術(shù)比較落后、自動化程度低等缺點。在用于高 峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低、水供不應(yīng)求的現(xiàn)象；而在 用于低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高、水供過于求的情況， 不僅白白造成電能的浪費，有時還造成水管破裂和用水設(shè)備損壞等情況。 在深入研究變頻恒壓供水技術(shù)之前，先將之前使用的幾種主要供水方式做 一總結(jié)。 （1）單臺恒速泵直接供水方式 在這種供水方式中，水泵從蓄水池中抽水后直接送給用戶，有的甚至連蓄 水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水。一般情況下，抽水泵會整日不停運 轉(zhuǎn)，有的會在夜間用水低谷時段停止運行。其供水方式簡單、造價最低，但耗 電、耗水嚴重，供水質(zhì)量很差，也會嚴重影響城市公用管網(wǎng)壓力穩(wěn)定性。 （2）恒速泵+水塔的供水方式 這種方式是由水泵先向水塔供水，再從水塔供水。水塔注滿后水泵停止， 水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需 要的壓力。水泵工作狀態(tài)是斷續(xù)的。由于水泵工作在額定流量、額定揚程的條 件下，水泵始終工作于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)能，其節(jié)電率與水塔 容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時間比、開停頻率等有關(guān)。 供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大；水 壓不能隨所需流量調(diào)整，也無法兼顧近期與遠期的需求；存在一些能量損失和 二次污染問題。在使用過程中，如果水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能 進行自動的開停，必須由人操作中，將會出現(xiàn)能量的嚴重浪費和供水質(zhì)量的嚴 重下降。 （3）恒速泵+高位水箱的供水方式 這種方式的工作原理與水塔基本相同，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層 建筑還可以分層設(shè)置水箱。占地面積與設(shè)備投資與水塔供水相比有所減少，但 對建筑物的造價與設(shè)計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大， 導(dǎo)致供水范圍較小。如果設(shè)計時考慮不周，無法防止一些動物甚至人進入水箱 造成水質(zhì)污染。水箱的位置監(jiān)控裝置也很容易損壞。 （4）恒速泵+氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測罐內(nèi)壓力來控 制泵的開、停。罐的占地面積與水塔、水箱供水方式相比較小，而且可以放在 地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。由于氣壓罐是密封的，能大大減小因異物 進入造成的水質(zhì)污染。氣壓罐供水方式也存在著許多缺點，將在介紹了變頻調(diào) 速供水方式后，再將二者進行比較。 （5）變頻調(diào)速供水方式 其工作原理是：通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 16 力值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出來無級調(diào)劑水泵轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)水 壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。細分起來又有如下 3 種：水泵 出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制。 (a)出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運行過程 中始終保持出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚程中所占 比例較小的情況，即整個給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的。當在供水面積較 大的居民中應(yīng)用時，由于管路損耗較大，在低峰用水時，容易造成最不利點的 流出水頭高于設(shè)計值，不能得到最佳的節(jié)能效果。 (b)出口變壓控制 在這種供水方式中，也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定 值不只有一個而是多個，即按用水曲線將每日 24 小時分成若干時段，計算出各 個時段所需的水泵出口壓力，進行全日變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式 其實是水泵出口恒壓控制的特殊形式。它比水泵出口恒壓控制方式更能節(jié)能， 其節(jié)能效果取決于將全天 24 小時分成的時段數(shù)以及所需求水泵出口壓力值的精 確程度。水泵出口壓力計算得越符合實際情況就越節(jié)能，將全天分得越細也越 節(jié)能，當然實現(xiàn)起來也越復(fù)雜。 (c)最不利點恒壓控制 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處，使系統(tǒng)在運行 過程中保持最不利點的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但是由于最 不利點一般距離水泵較遠，壓力信號的傳輸在實際應(yīng)用中受到諸多限制，因此 工程中很少采用。 變頻調(diào)速方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐供水方式依靠壓 力罐中的壓縮空氣送水。當氣壓罐配套水泵運行時，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流 量的條件下工作。當系統(tǒng)所需水量下降時，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力 造成能量的浪費。加上水泵是工頻啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的電能損 耗。相比之下，變頻恒壓供水能在系統(tǒng)用水量下降時無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供 水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就能節(jié)省了許多電能，同時變頻器對水 泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流小，啟動能耗也比較小。另外氣壓罐供水需要 配備一定量的鋼罐，氣壓罐體積一般比較大，占地面積幾十平方米。在變頻調(diào) 速方式中，調(diào)速裝置占地面積僅有幾平方米，相比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量 占地面積。從運行效果上看，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在一定的差距。氣 壓罐方式運行不太穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在頻繁啟動時。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占 其總?cè)莘e的 1/31/6，因而每個罐的調(diào)節(jié)能力很小，只能依靠頻繁的啟動來保證 供水穩(wěn)定性，這不僅將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動較于頻繁，常常造成供 水壓力不穩(wěn)。由于是硬啟動，電氣和機械沖擊也很大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào) 速式的運行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，加之啟動方式為軟啟動，設(shè) 備運行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機械沖擊。在小區(qū)供水中，由于是經(jīng)水泵加壓 后直接送給用戶的，防止水質(zhì)的二次污染，保證了飲水水質(zhì)質(zhì)量。 通過上述比較可以看出，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)能占地、 節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和明 顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 17 3.33.3 常用調(diào)速方式及變頻調(diào)速原理常用調(diào)速方式及變頻調(diào)速原理 水泵多由交流異步電動機拖動。交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式為： (3-1) 10 (60/)(1)(1)nfpsns 式中， 001 1 60/ / min nnfp f p nr 同步轉(zhuǎn)速， 異步電動機供電電源頻率 異步電動機極對數(shù) 電動機轉(zhuǎn)速。單位為。 改變電動機極對數(shù) P、改變轉(zhuǎn)速差 S 及改變電源頻率 f 都可以達到調(diào)速的 目的。 (1)変級對數(shù)調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，電動機的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動 機極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速?？梢酝ㄟ^改變定子繞組的接線方法來改變極對數(shù)。 如果使 P=1，2，3 等，就可以得到 n。=3000、1500、1000r/min 等不同的 同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子速度。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能 效果顯著，效率高，但需要專門的変極電機，是有級調(diào)速，而且級差比較大， 只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機器。 (2)變頻調(diào)速 變頻調(diào)速是將電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電， 然后供給電動機，使其可在變速的情況下運行。 改變電動機定子頻率 可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速 相應(yīng)地也就改變了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速 ，而轉(zhuǎn)速差 S 可保持不變或很小。但對電動機；來說，定子頻率改變后，其 運行會受到影響。如果電壓不變，頻率增加時，磁通量將減小，電動機轉(zhuǎn)速會 下降，嚴重時會使電機堵轉(zhuǎn)；而當頻率降低時，磁通增加，會使磁路飽和，勵 磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許出現(xiàn)的情況。因此，在 實用上，要求在調(diào)頻的同時，也改變了定子電壓，以保持磁通基本不變，既不 是鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。 (a)交-直-交 變頻器 它由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電 變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電；可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電 變換為頻率可調(diào)的交流電；濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是 利用無源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進行濾波。 在交-直-交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變 頻器。 近年來，由于電力電子器件和微機控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型 （PWM）變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM 變頻器也有電壓型和電流型兩 種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。它不僅 可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。 (b) 交-交變頻器 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 18 它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過變頻電路同 時調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。交-交變頻器由于直接 交換，減少了換流電路，損耗小，效率高，波形好，但調(diào)速范圍小，控制線路 復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。 利用變頻技術(shù)對水泵電動機進行調(diào)速，可以獲得優(yōu)良的運行特性和明顯的 節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。 (3)可控硅串級調(diào)速 它是把異步電動機轉(zhuǎn)子電勢經(jīng)過整流-逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn) 差功率，當改變逆角時，逆變電勢、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變，從而達 到調(diào)速的目的。但在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率升高，轉(zhuǎn)差功率也直線 上升?？煽毓璐壵{(diào)速就是把這部分功率取出來，然后回送到電網(wǎng)，從而大大 提高電動機低速運行時的效率。 串級調(diào)速的最大優(yōu)點是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也 好。但是由于調(diào)速線路過于復(fù)雜，且還需要增加一臺與電動機相匹配的變壓器， 增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來了成本高、占水泵房面積大等缺點因而影響 它的推廣使用 3.43.4 恒壓調(diào)速運行的節(jié)能恒壓調(diào)速運行的節(jié)能分析分析 3.4.1 供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目標，常用的控制方法有閥門控制法和 轉(zhuǎn)速控制法兩種。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速 保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量。因此，管阻將隨 閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際應(yīng)用水中，需水量是變化 的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。 轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變。這 種控制方法是通過改變水的動能來改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的 改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制，其工作原理 是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒 定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。 供水系統(tǒng)管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線如圖 3-1。 圖3-1 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 19 當用閥門控制時，假設(shè)供水量高峰水泵工作在 E 點，流量為 ，揚程為 。 當供水量從 減小到 時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線 從 移動到 。揚程特性曲線不變，而揚程則從 升到 ，運行工況點從 E 點移動 到 F 點，此時水泵輸出功率即 5 為（ ）圍成的矩形部分，其值為： 21 0,Q F H （3-2） 12 /102 D PH Q 當用調(diào)速系統(tǒng)時，若采用恒壓（ ） 、變速泵（ ）供水，管阻特性曲 0 H 2 n 線為 ，揚程特性變?yōu)榍€ ，工作點從 E 點移動到 D 點。此時水泵輸出功率為 （ ）圍成的矩形面積，其值為： 20 0,Q D H （3-3） 02 /102 F PH Q 可見，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（）圍成的矩形面積，其值為： 01 ,HD F H (3-4) 02 /102 F PH Q 從公式可以看出，當用閥門控制流量時，有值為 的功率被浪費掉。隨著閥 門的不斷減小，閥門的摩擦阻力也不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況也 隨之上移，于是 增大，造成被浪費的功率也隨之增加。 根據(jù)水泵便需運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間的關(guān)系為： (3-5) 23 212121212121 /:/(/) :/(/)QQ NNHHNNPPNN 式中 ， 為變速前的流量、揚程、功率， 變速后的流量、揚程、功率。 由公式（3-4）可以看出，水泵功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正 比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式相比閥門控制方式其供水功率 要小得多，節(jié)能效果顯著。 變頻恒壓供水的特點分析。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適應(yīng)生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合， 具有以下特點： （1）非線性 用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等影響，同時又由于水泵的一些固有特性， 使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是 一個非線性系統(tǒng)。 （2）多變性 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)， 而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其 控制對象的模型具有很強的多邊性。 （3）容錯性 當出現(xiàn)意外的情況下，例如突然斷電或水泵、變頻器、軟啟動器等出現(xiàn)故 障時，系統(tǒng)能根據(jù)泵、變頻器或軟啟動器的狀態(tài)、電網(wǎng)狀況及水源水位以及管 壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）