1、江南大學畢業(yè)設計第一章 緒論1.1城市供水系統(tǒng)的要求眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能導致水管爆破和用水設備的損壞。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(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、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社

2、會效益。1.2變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢電機調(diào)速經(jīng)歷從靜止的晶閘管整流器直流調(diào)選到交流感應電機變頻調(diào)速的發(fā)展過程；變頻調(diào)速又由vvvf的變壓三變頻控制的pwm變頻調(diào)速發(fā)展到矢量控制變頻調(diào)速，提高了變頻器的恒定轉(zhuǎn)矩輸出范圍和動靜態(tài)特性，使得交流電機變頻調(diào)運性能超過了直流電動機調(diào)壓，調(diào)速性能；在矢量控制變頻凋調(diào)速的基礎上又發(fā)展了無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速。在中、高壓（3kv，6kv，10kv）等調(diào)速范圍的應用也越來越多。隨著電力電子器件的發(fā)展，特別是具備有將單極型和雙極型大功率管兩種器件組成的混合氣傳動裝置的控制由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，使信息處理能力大幅度地增強1，出現(xiàn)了許多高、中壓的變頻設備（像

3、西門子、abb、羅克韋爾），本文介紹的變頻調(diào)速電壓等級是380v的低壓變頻器。1.3變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義我國泵站的特點是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設計中忽視動能經(jīng)濟觀點以及機電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問題等等原因，致使在技術水平、工程標準以及經(jīng)濟效益指標等方面與國外先進水平相比，還有一定的差距。目前，大量的電能消耗在水泵、風機負載上，城鄉(xiāng)居民用水設備所消耗的電量在這類負載中占了相當?shù)谋壤＿@一方面是出于我國居民多，用水量大，造成用電量大；另一方面是因為我國供水設備工作效率低，控制方式不夠科學合理。造成不必要的能量浪費。因此，研究提水系統(tǒng)的能量

4、模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法，這里大有潛力可挖，是減少能耗，保障供水的一個很有意義的工作。傳統(tǒng)的定（恒）速水泵供水系統(tǒng)是指水泵在額定轉(zhuǎn)速下為系統(tǒng)提供一定水量的供水系統(tǒng)這種傳統(tǒng)而簡單的給水方式，無反饋信號和壓力控制。用水量小時，系統(tǒng)壓力增高，泵效率降低，管路內(nèi)漏增加，閥門損壞加劇。用水量增大時，系統(tǒng)壓力則降低，易造成系統(tǒng)高位供水點斷流。實際上，定（恒）速水泵給水系統(tǒng)不但存在供水質(zhì)量差，壓力波動大的缺陷，而且不易實現(xiàn)有效的經(jīng)濟運行。對于用水量變化大的給水系統(tǒng)，特別是用水量小于二分之一額定流量時，水泵工況點偏離高效能區(qū)之外運行，能量損失嚴重。水泵機組變頻調(diào)速運行的研究和運用，目前已經(jīng)成為城鎮(zhèn)供水

5、行業(yè)的重要課題，各地區(qū)根掘本地不同情況，也逐步開始運用。變頻調(diào)速給水系統(tǒng)是由作為核心部件的變頻調(diào)速器以及壓力傳感器、控制器、泵和管路組成的給水系統(tǒng)。它根據(jù)用戶用水量的實際需求，設定壓力控制值，控制器按傳感器送來的用戶用水量信息，控制變頻器的頻率，自動改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，最終達到調(diào)速及調(diào)節(jié)水量的目的。這種調(diào)速供水系統(tǒng)既能保持管網(wǎng)壓力恒定，又能隨時調(diào)整供水量。盡管水泵時常偏離額定流量工況點工作，但水泵的效率仍然維持在高效能區(qū)3。plc是一種專為工業(yè)環(huán)境應用而設計的數(shù)字運算電子系統(tǒng)，它是以微處理機為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工業(yè)自動控制裝置，是當今工

6、業(yè)發(fā)達國家自動控制的標準設備之一。plc在小型化、大型化、大容量、強功能等方而有了質(zhì)的飛躍。采用該變頻恒壓供水系統(tǒng)可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義。1.4國內(nèi)外研究概況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。應用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構，為了滿足供水量大小需求不同

7、時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器（plc）及相應的軟件予以實現(xiàn)；有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。可以看出，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現(xiàn)代控制技術、網(wǎng)絡和通訊技術同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性（emc）的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究處

8、是不夠的。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應用于生活、生產(chǎn)實踐中。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動，電機起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時時間相應延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對于電機的機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管（市政來水管）進口壓力保持恒定為條件。實際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)4。變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式（如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、串級調(diào)速等），是當今國際上一項效益

9、最高、性能最好、應用最廣、最有發(fā)展前途的電機調(diào)速技術。以變頻器為核心結合plc組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本低能耗等諸多特點。1.5本課題的主要設計研究對象此次設計研究的對象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有10層，由于高層樓對水壓的要求高，在水壓低時，高層用戶將無法正常用水甚至出現(xiàn)無水的情況，水壓高時將造成能源的浪費。采用plc和變頻技術相結合，引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。plc控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機組一起組成一個完整的恒壓供水系統(tǒng)，本設

10、計中有1個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵做恒速運行。plc根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進行pid運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定供給每一個用戶。第二章 恒壓供水系統(tǒng)2.1變頻恒壓供水系統(tǒng)隨著變頻技術的發(fā)展和人們對生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點，廣泛應用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持

11、水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中如何充分利用專用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻恒壓供水設備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制、多品種系列化的方向發(fā)展。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點:(1)供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過

12、程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。(2)用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個線性系統(tǒng)。 (3)當出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點自動進行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。(4)水泵的電氣控制柜，其有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制

13、信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等功能。(5)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從零到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設備的使用壽命。2.2變頻恒壓供水控制方式的選擇目前國內(nèi)變頻恒壓供水設備電控柜的控制方式有：邏輯電子電路控制方式、單片微機電路控制方式、新型變頻調(diào)速供水設備。綜合考慮，本次設計采用新型變頻調(diào)速供水設備的控制方式。 圖1 供水系統(tǒng)方案圖2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)及工作原理2.3.1 系統(tǒng)的構成圖2 系統(tǒng)原理圖如圖2所

14、示，整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺plc和一個壓力傳感器及若干輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋05v電壓信號)或壓力變送器(反饋420ma電流)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào)速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。2.3.2 工作原理合上空氣開關，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，

15、plc中程序首先接通km6，并起動變頻器。根據(jù)壓力設定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進行pid調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內(nèi)，實現(xiàn)恒壓控制。在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給plc，plc則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則plc會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。此時pid會繼續(xù)通過由遠傳壓力表送來的

16、檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。2.4主電路接線圖圖3主電路圖電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。km1、km3、 km5 分別為電動機m1 、m2 、m3 工頻運行時接通電源的控制接觸器，km0、 km2 、km4 分別為電動機m1、m2、 m3 變頻運行接通電源的控制接觸器。熱繼電器(fr)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。熔斷器（fu）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴

17、重過載。第三章 硬件的設計方案3.1可編程控制器3.1.1簡介plcplc即可編程控制器（programmable logic controller，是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在1987年國際電工委員會（international electrical committee）頒布的plc標準草案中對plc做了如下定義：plc英文全稱programmable logic controller ，中文全稱為可編程邏輯控制器，定義是:一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術操作等面向用

18、戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程.plc是可編程邏輯電路，也是一種和硬件結合很緊密的語言，在半導體方面有很重要的應用，可以說有半導體的地方就有plc。圖4 plc的硬件結構框圖3.1.2 plc的特點現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制，還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量pid控制、通信網(wǎng)絡等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門，其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農(nóng)業(yè)等領域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點：1）編程方法簡單易學2）功能強，性能價格比高3）硬件配套齊全，用戶使用

19、方便，適應性強4）無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強5）系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低。3.1.3 plc的國內(nèi)外狀況在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量的開關量順序控制，它按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國gm（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字設備公司（dec）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱programmable ,是世界上公認的第一臺

20、plc.3.1.4 plc的構成從結構上分，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(nèi)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(nèi)存、電源模塊、底板或機架，按照一定規(guī)則組合配置。3.1.5 plc的工作過程圖圖5 plc的掃描工作過程plc是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。plc在i/o處理方面必須遵守的規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(tài)；程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序

21、和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)；輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；3.1.6 plc的選型目前，世界上有plc廠商200多家，各種型號產(chǎn)品幾千種。plc產(chǎn)品按地域上分成三個流派，美國：ab、ge；歐洲：德國的西門子、法國的te；日本：三菱電機、歐姆龍。依據(jù)國內(nèi)plc市場的研究得到的樣本分析，60%左右的用戶使用了這些品牌的plc產(chǎn)品。綜合考慮，本系統(tǒng)選用fxos-30mr-d型plc。水泵m1、m2，m3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的6個輸出點，變頻器的運行與關斷

22、由plc的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉(zhuǎn)需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個。控制起動和停止需要2個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用plc2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1輸入點，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為24個點。3.1.7 plc的接線圖6 plc的接線圖y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行，y5接km5控制m3的

23、工頻運行。x0接起動按鈕，x1接停止按鈕，x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口，x4接m1的熱繼電器，x5接m2的熱繼電器，x6接m3的熱繼電器。3.2 變頻器3.2.1 變頻器的構成通常由變頻器主電路（igbt、bjt、或gto作逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。 圖7 變頻器的構成1.主電路給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖3.5所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈

24、動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。圖8 典型的電壓型逆變器一例2.控制電路給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。控制電路夠成主要包括：運算電路、電壓/電流檢測電路、驅(qū)動電路、速度檢測電路、保護電路。3.2.2 變頻器的特點變頻器具有過壓、欠壓、過流、過載、短路、失速等自動保護功能。能實現(xiàn)電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪音，延長設備使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點主要有: 節(jié)能；占地面積小，投人少，效率高；配置靈活，功能齊全，自動化程度高；減少供水方式的二次污染；可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)

25、省了人力物力。3.2.3 變頻器的選型根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用fr-a540系列變頻器。 圖 9 變頻器的構造3.2.4 變頻器的接線管腳stf接plc的y7管腳，控制電機的正轉(zhuǎn)。x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端作為plc增泵減泵控制信號。 圖10變頻器接線圖3.3 pid調(diào)節(jié)器僅用p動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加i動作的pi控制。用pi控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， i動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用p動作控

26、制。對于pd控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨d動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，p動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅p動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使p動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用pd控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。圖11 pid控制框圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的p

27、id控制器的控制形式主要有兩種: 硬件型和軟件型。根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)的pid調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。圖12 pid控制接線圖3.4 壓力傳感器的接線壓力傳感器使用cy-yz-1001型絕對壓力傳感器。改傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，該傳感器的量程為02.5mpa，工作溫度為560 ，供電電源為283v（dc）。圖13 壓力傳感器的接線圖3.5原件表水泵：m1、m2選用40-160(i)a型，m3選用40-160(i)型， (3.1) (3.2)熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機的過載保護熱繼電器fr，fr1 fr2可選用規(guī)格其型號

28、為tk-e02t-c，額定電流58a，fr3可選用規(guī)格其型號為tk-e02u-c，額定電流為69 a。熔斷器的選擇：在控制回路中選用rt18系列。接觸器的選擇：選用規(guī)格為sc-e03-c,功率3kw。按鈕sb的選擇：plc各輸入點的回路的額定電壓直流24v，各輸入點的回路的額定電流均小于40ma，按鈕均只需具有1對常開觸點，按鈕均選用lay311型，其主要技術參數(shù)為：un=24vdc，in=0.3a，含1對常開和1對常閉觸點。表1元件表總圖元件符號型號個數(shù)可編程控制器plcfxos-30mr-d1變頻器fr-a540系列5.5型1接觸器kmsc-e03-c7水泵m1,m240-160(i)a2

29、m340-160(i)1閘刀開關qshd11-100/181熔斷器fu1，fu2rt18 6a2fu3rt18 8a1熱繼電器fr1 fr2tk-e02t-c2fr3k-e02u-c1按鈕sblay31110水泵符號型號流量(m3/h)揚程(m)轉(zhuǎn)速(r/min)電機功率(kw)m1,m240-160(i)a112829002.2m340-160(i)12.53229003.0表2水泵的參數(shù)表變頻器適用電機容量（kw)輸出額定容量(kva)輸出額定電流（a）過載能力電源額定輸入交流電壓/頻率冷卻方式fr-a540系列5.5型（三菱）5.59.112150%60s ,200% 0.5s (反時限

30、特性)3相，380v至480v 50hz/60hz強制風冷表3 變頻器的參數(shù)第四章 軟件的設計方案4.1 plc控制plc在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進行工頻變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖14所示。圖14 plc程序流程圖系統(tǒng)起動之后，檢測是自動運行模式還是手動運行模式。如果是手動運行模式則進行手動操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應操作。如果是自動運行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關的輸入信號執(zhí)行相應的操作。手動模式主要是解決系統(tǒng)出錯或器件出問題在自動運行模式中，如果plc接到頻率上限信號，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果plc接到頻率下限信號，則

31、執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號就保持現(xiàn)有的運行狀態(tài)。4.1.1 手動運行和自動運行(1)手動運行當按下sb7按鈕，用手動方式。按下sb10手動啟動變頻器。當系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時，按下sbn（n=1,3,5）按鈕，此時切斷電機變頻，同時啟動電機工頻運行,再起動下一臺電機。為了變頻向工頻切換時保護變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時，用時間繼電器作了時間延遲，當壓力過大時，可以手動按下sbn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運行的電機，同時啟動電機變頻運行。可根據(jù)需要，停按不同電機對應的啟停按鈕，可以依次實現(xiàn)手動啟動和手動停止三臺水泵.該方式僅供自動故障時使用. (2)自動運

32、行由plc分別控制某臺電機工頻和變頻繼電器，在條件成立時，進行增泵升壓和減泵降壓控制.升壓控制：系統(tǒng)工作時，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動狀態(tài)、變頻器拖動調(diào)速狀態(tài)和停止狀態(tài).系統(tǒng)開始工作時，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運行，第一臺水泵m1，啟動且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間m1處在調(diào)速運行狀態(tài).當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設定速率加速到另一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;反之用水量減少水壓增加時，水泵按設定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.當用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時，水壓仍低于設定值，由plc

33、控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運行;同時，使第二臺水泵m2投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當加速運行的變頻器輸出頻率達到工頻時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運行.當最后一臺水泵m3投人運行，變頻器輸出頻率達到工頻，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出故障報警.降壓控制：當用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動頻率時，水壓仍高于設定值，系統(tǒng)將工頻運行時間最長的一臺水泵關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達到設定值.當用水量繼續(xù)下降，每當減速運行的變頻器輸出頻率降至起動頻率時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺變頻泵運行

34、為止。4.2編程及介紹4.2.1 總程序的順序功能圖系統(tǒng)分為自動運行和手動運行兩部分圖15 總程序的順序功能圖4.2.2 自動運行順序功能圖按下sb8按鈕，系統(tǒng)進入自動運行模式，順序功能圖如16所示。圖16 自動運行順序功能圖y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行，y5接km5控制m3的工頻運行系統(tǒng)起動時，km1閉合，#1泵以變頻方式運行。 當變頻器的運行頻率超出一個上限信號后，plc通過這個上限信號后將1#水泵有變頻運行轉(zhuǎn)為工頻運行，km1斷開km0吸合，同時km3吸合變頻

35、起動第2#水泵。如果再次接收到變頻器上限信號，則km3斷開km2吸合，第2#水泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻運行，3#水泵變頻起動。如果變頻器頻率偏低，即壓力過高，輸出的下限信號使plc關閉km5、km2，開啟km3，2#水泵變頻起動。再次接到下限信號就關閉km3、km0，吸合km1，只剩1#水泵變頻運行。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同是控制m1電動機的兩個接觸器km1、km0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖。4.2.3 手動模式順序功能圖當按下sb9按鈕，系統(tǒng)進入手動運行模式。系統(tǒng)的每步動作都必須有相應的操作。順序功能圖如圖17所示。圖17 自動運行順序功能圖按下

36、按鈕sb9之后，啟動了變頻器，系統(tǒng)進入手動運行模式。當用戶按下sbn（n=1，3，5）三臺電機分別處于工頻運行，當用戶按下sbn（n=2，4，6）三臺電機分別處于變頻運行。可以多臺電機于不同的頻率工作，但一臺電機只能以一種頻率下工作。（如#1電機，如果控制它工作的sb1,sb2按鈕被同時按下則發(fā)出警報且電機無法起動。）第五章 mcgs組態(tài)軟件的仿真與調(diào)試5.1 mcgs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windo

37、ws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,在自動有著廣泛的應化領域用.它功能齊全，便于方案設計。mcgs為解決工程監(jiān)控問題提供了豐富多樣的手段，從設備驅(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)控程序設計和運行操作。用戶可避開復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

38、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。5.1.1 mcgs組態(tài)軟件的整體結構 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5.1.2 mcgs工程的五大部分主控窗口：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，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。設備窗口：是連接和驅(qū)動外部設備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設備

39、，注冊設備驅(qū)動程序，定義連接與驅(qū)動設備用的數(shù)據(jù)變量。用戶窗口：本窗口主要用于設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。5.2 建立界面5.2.1 建立窗口1在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0” 。2選

40、中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”。3將窗口名稱改為：變頻恒壓供水系統(tǒng)；窗口標題改為：變頻恒壓供水系統(tǒng)；窗口位置選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。4在“用戶窗口”中，選中“變頻恒壓供水系統(tǒng)”，點擊右鍵，選擇下拉菜單中的“設置為啟動窗口”選項，將該窗口設置為運行時自動加載的窗口。圖18工程界面界面如圖所示。一共有四個界面，分別是變頻恒壓供水系統(tǒng)、變頻恒壓供水系統(tǒng)實時曲線、變頻恒壓供水系統(tǒng)歷史曲線和退出提示。5.2.2 定義數(shù)據(jù)對象實時數(shù)據(jù)庫是mcgs工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。定義數(shù)據(jù)對象的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量

41、存盤相關的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時間范圍和保存期限等。下面以數(shù)據(jù)對象“水泵”為例，介紹一下定義數(shù)據(jù)對象的步驟：1單擊工作臺中的“實時數(shù)據(jù)庫”窗口標簽，進入實時數(shù)據(jù)庫窗口頁。2單擊“新增對象” 按鈕，在窗口的數(shù)據(jù)對象列表中，增加新的數(shù)據(jù)對象，系統(tǒng)缺省定義的名稱為“data1”、“data2”、“data3”等3選中對象，按“對象屬性”按鈕，或雙擊選中對象，則打開“數(shù)據(jù)對象屬性設置” 窗口。4將對象名稱改為：水泵1；對象類型選擇：開關型；在對象內(nèi)容注釋輸入框內(nèi)輸入：“控制水泵啟動、停止的變量”，單擊“確認”。圖19參數(shù)的設置過程按照此步驟，設置其他數(shù)據(jù)對象。圖20參數(shù)的設置5.2.3 編輯畫面

42、選中“變頻恒壓供水系統(tǒng)”窗口圖標，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫組態(tài)窗口，開始編輯畫面。圖21編輯界面5.2.4 對象元件的選擇單擊繪圖工具箱中的（插入元件）圖標，彈出對象元件庫管理對話框，如圖22所示：圖22 對象元件庫管理如上所示，在元件庫中找到所需的元件組成下圖23所示的畫面。 圖23 監(jiān)控界面5.2.5調(diào)試步驟硬件功能性調(diào)試主要是測試硬件的功能是否正常，這部分的調(diào)試內(nèi)容包括： 1供電線路的設置和檢驗，主要用萬用表檢測電路的連通是否實現(xiàn)。 2電機直接加三相電源調(diào)試，檢測電機工作狀態(tài)； 3變頻器單獨調(diào)試，檢測能否正常進行參數(shù)設置； 4變頻器加電機進行調(diào)試，檢測能否正常進行變頻調(diào)速，在外部控制模

43、式下，控制端子是否能正常控制電機啟動，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速等； 5plc單獨檢測，檢查plc單元能否正常工作，指示燈是否正常，該部分工作實際上在計算機模擬調(diào)試前就己經(jīng)完成： 經(jīng)過測試，結果表明上述功能一切正常，可以進行總體調(diào)試。5.2.6系統(tǒng)總體調(diào)試功能測試完成后并檢查完線路后就可以開始系統(tǒng)總體調(diào)試了，內(nèi)容包括：1.手動方式下，能否正常啟動和停止各臺泵；2.自動方式下，給變頻器持續(xù)欠壓信號，系統(tǒng)能否實現(xiàn)泵1、2、3的變頻和工頻投入，最后全部工作在工頻方式；給變頻器持續(xù)超壓信號，能否實現(xiàn)泵的工頻、變頻順序切除；3.系統(tǒng)自動運行時，是否滿足先投先停，先停先投的既定原則；4給外部故障信號時，系統(tǒng)能否停止運行

44、； 5.模擬其中一臺水泵發(fā)生故障，系統(tǒng)能否繼續(xù)運行，故障處理是否正確；6自動方式下，模擬壓力輸入信號發(fā)生微調(diào)，系統(tǒng)能否工作在一臺變頻、若干臺工頻的基本穩(wěn)定狀態(tài)；經(jīng)過不停的調(diào)試和修改，上述試驗結果完全正確，說明程序基本能夠?qū)崿F(xiàn)預期的設計目標。5.3 本章小結經(jīng)過以上的仿真與調(diào)試，我們可以得出這樣的結論：本設計實現(xiàn)了恒壓供水設計的功能，基本能達到了設計的要求。在檢驗抗干擾能力，必須將其置于實際的工業(yè)現(xiàn)場中去運行、檢驗，通過這樣的實際應用才能得到更好的檢驗，由于條件的限制，沒能夠?qū)Υ隧椫笜诉M行檢驗，這也是本設計中存在的一方面不足。結 論本文通過恒壓供水系統(tǒng)以plc和變頻器為核心進行設計，借助于plc

45、強大而靈活的控制功能和內(nèi)置pid的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實現(xiàn)了恒壓供水的控制。使我學到了很多知識，積累了許多寶貴的經(jīng)驗，鍛煉了自己的獨立思考能力和實際動手能力，學會了如何綜合實施一個工程項目的研究與設計。該系統(tǒng)采用pcl控制變頻器進行pid調(diào)節(jié)，按實際需要隨意設定壓力給定值，根據(jù)壓差調(diào)整水泵的工作情況，實現(xiàn)恒壓供水，使給水泵始終在高效率下運行。恒壓供水在日常生活中非常重要，基于plc和變頻器技術設計的生活恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動態(tài)響應速度快。因?qū)崿F(xiàn)了恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，節(jié)省了人力，提高了供水質(zhì)量，減輕了勞動強度，可實現(xiàn)無人值班，節(jié)約管理費用。對整個供水過程來說，系統(tǒng)的可擴展性好，管理人員可根據(jù)每個季節(jié)的用水情況，選擇不