基于變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）SNL/QR7.5.4-3 變頻恒壓供水研究與設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè) 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化 學(xué)生姓名 王騰讓 班 級(jí) 08生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 0805080135 指導(dǎo)教師 李娜 完成日期 2011-6-05 附1：成績(jī)?cè)u(píng)議學(xué)號(hào)0805080135姓名 王騰讓 題目 變頻恒壓供水研究與設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師建議成績(jī)： 評(píng)閱教師建議成績(jī)： 答辯小組建議成績(jī)： 院答辯委員會(huì)評(píng)閱意見(jiàn)及評(píng)定成績(jī)：答辯委員會(huì)主任簽字（蓋章）： 年 月 日王騰讓?zhuān)鹤冾l恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)姓名王騰讓學(xué)號(hào)0805080135班級(jí)08生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化題目變頻恒壓供水研究與設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容1 論文在對(duì)課題對(duì)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法；2分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數(shù)，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法和閥門(mén)控制法作了比較，詳細(xì)分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。3 通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。論文介紹了計(jì)算機(jī)和PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)研究問(wèn)題如何利用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)在小區(qū)的恒壓供水。主要技術(shù)指標(biāo)該系統(tǒng)由PLC，變頻器，水泵機(jī)組，壓力傳感器，液位傳感器，上位機(jī)，通信模塊等。其它要說(shuō)明的問(wèn)題系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)供水方式的缺點(diǎn)有了大大的改善，不僅提高了供水質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了水資源，投入資金較少，維護(hù)方便?？梢栽诂F(xiàn)在的新型小區(qū)進(jìn)行全面推廣使用。是今后小區(qū)供水方式的一個(gè)發(fā)展方向。指導(dǎo)老師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日王騰讓?zhuān)鹤冾l恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師意見(jiàn) 對(duì)論文的簡(jiǎn)短評(píng)價(jià)：1.指出論文存在的問(wèn)題及錯(cuò)誤2.對(duì)創(chuàng)造性工作評(píng)價(jià)3.建議成績(jī) 優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日評(píng)閱教師意見(jiàn) 對(duì)論文的簡(jiǎn)短評(píng)價(jià)：1.指出論文存在的問(wèn)題及錯(cuò)誤2.對(duì)創(chuàng)造性工作評(píng)價(jià)3.建議成績(jī) 優(yōu) 良 中 及格 不及格 評(píng)閱教師簽字 年 月 日江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯小組評(píng)議意見(jiàn)學(xué)號(hào) 0805080135 姓名 王騰讓 題目 變頻恒壓供水研究與設(shè)計(jì) 答辯小組意見(jiàn)：1、對(duì)論文的評(píng)價(jià)2.建議成績(jī)等級(jí) 優(yōu) 良 中 及格 不及格3.需要說(shuō)明的問(wèn)題 答辯小組長(zhǎng)簽字 年 月 日王騰讓?zhuān)鹤冾l恒壓供水研究與設(shè)計(jì)摘要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化步伐加快?，F(xiàn)在很多人已經(jīng)住進(jìn)小區(qū)，所以小區(qū)必須提供給人們很好的供水質(zhì)量，但也不能浪費(fèi)有限的水資源。每個(gè)小區(qū)都建有自己的供水系統(tǒng)。小區(qū)供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性直接影響到供水質(zhì)量，傳統(tǒng)的供水方式普遍存在占地面積大、可靠性差、難以維護(hù)等缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在基本已經(jīng)被淘汰了。本文主要設(shè)計(jì)一套小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PLC，變頻器，水泵機(jī)組，壓力傳感器，液位傳感器，上位機(jī)，通信模塊等設(shè)備組成。該系統(tǒng)具有生活管網(wǎng)和消防管網(wǎng)。該系統(tǒng)可以手動(dòng)運(yùn)行，也可以自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)還設(shè)計(jì)了人機(jī)界面，通過(guò)遠(yuǎn)程通信可以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)供水方式的缺點(diǎn)有了大大的改善，不僅提高了供水質(zhì)量，同時(shí)也節(jié)約了水資源，投入資金較少，維護(hù)方便。變頻恒壓供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相比，節(jié)能效果非常顯著。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓，本設(shè)計(jì)通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)壓力，然后反饋給變頻器的PID模塊，這樣就構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。再通過(guò)變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速。論文同時(shí)也討論了消防供水的問(wèn)題，在消防管網(wǎng)中配備了兩臺(tái)高功率的電機(jī)。最后，還通過(guò)組態(tài)軟件編譯了人機(jī)界面，使系統(tǒng)更加完善。同時(shí)通過(guò)通信模塊與上位機(jī)相連接，構(gòu)成一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還可以改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于保護(hù)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了水位報(bào)警，變頻器故障報(bào)警，軟啟動(dòng)器保護(hù)等。關(guān)鍵詞：變頻器；PLC；恒壓供水；變頻調(diào)速；監(jiān)控系統(tǒng)ABSTRACTAlong with the rapid development of Chinese economy, the urbanization step is quickly. Now many people have moved to communities, so the Community has to provide good water supply quality to people, but can not waste water resources. Community built their own water systems. Community water supply system must supplies water the stability, credibility of system, the economy directly influences to supply water quality .The traditional means of water supply cover big area, and low efficiency，hard maintenance etc. So its already been eliminated now.This text mainly designs a cell constant pressure water supply system, which by the PLC, transducer, water pump, pressure sensors, liquid level sensors, host computer, communication modules and other equipment composition. The system has to live tube net and fire net. The system can control by hand, it also can control automatically. It still designed a man-machine interface at the same timePassing the long range correspondence can with the movement that the long range control the system. The system has solved the problem existing in the traditional way of water supply, such as economize water resources, it are little to throw in funds, maintenance convenience.The system compare with the traditional way of water supply, it has energy conservation effect extraordinary prominence. For carrying out system of constant pressure, this design spreads the feeling machine examination pressure through a pressure, Then the feedback give the PID mold piece of inverter. Therefore this made one cyclic control system. And then variable-frequency controls the electric machine, so this is a variable velocity variable frequency. The problem that the thesis also discussed that the fire fight supplies water at the same time took care of to provide with the electrical engineering of two set high powers in the net in the fire fight.Finally, it also edited and translated a man-machine interface through a set of software. The system is more perfect. At the same time we Build up a conjunction between the PLC and the computer. For the protection link, the system designed water level to report to the police, the inverter breakdown reports to the police, the soft starter protects etc.Key words：Variable-frequency; PLC; Constant pressure water-supply; Variable Velocity variable frequency; monitor and control-system目錄1 緒論11.1 恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義11.2 現(xiàn)有的幾種供水系統(tǒng)的比較11.3 變頻恒壓供水的主要研究方向12 變頻恒壓供水現(xiàn)有的理論支持22.1 變頻控制恒壓供水控制方式22.2 供水系統(tǒng)的安全性討論33 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)33.1 供水專(zhuān)用變頻器的功能33.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定33.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件43.4 變頻器的選型43.4.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型43.4.2 水泵機(jī)組的選型53.4.3 壓力傳感器的選型53.5 變頻器和控制電路設(shè)計(jì)53.6 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)74 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)74.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理74.1.1生活供水系統(tǒng)工作原理74.1.2消防供水系統(tǒng)的工作原理84.2系統(tǒng)的主程序流程圖84.3 PID調(diào)節(jié)器控制以及參數(shù)整定104.3.1 PID調(diào)節(jié)器控制104.3.2變頻器PID參數(shù)調(diào)整流程圖104.3.3變頻器PID參數(shù)設(shè)置及參數(shù)調(diào)整125 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)135.1 PLC通信程序設(shè)計(jì)135.2上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)136 總結(jié)14參考文獻(xiàn)16王騰讓?zhuān)鹤冾l恒壓供水研究與設(shè)計(jì)1 緒論1.1 恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開(kāi)發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。1.2 現(xiàn)有的幾種供水系統(tǒng)的比較水池水泵（恒壓變頻或氣壓罐）管網(wǎng)系統(tǒng)用水點(diǎn)是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的方法。該系統(tǒng)供水采用變頻泵循環(huán)方式，以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵，工作泵與備用泵不固定死。這樣，既保證供水系統(tǒng)有備用泵，又保證系統(tǒng)泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，有效地防止因?yàn)閭溆帽瞄L(zhǎng)期不用發(fā)生銹死現(xiàn)象，提高了設(shè)備的綜合利用率，降低了維護(hù)費(fèi)用。水池水泵高位水箱用水點(diǎn)這種供水方式通過(guò)水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用戶(hù)。但是這第種二次供水方式不可避免造成二次污染，影響居民的身體健康。所以這種方案并不可取，終將淘汰。單元水箱單元增壓泵單元高位水箱各單位用水點(diǎn)的確也達(dá)到了樓房高層的用戶(hù)不因城市供水管網(wǎng)水壓減小而用不到水的目標(biāo)，但是它的投資較大，總費(fèi)用比上兩種方式增加一、二十萬(wàn)元。這些費(fèi)用要在用戶(hù)的水電費(fèi)上來(lái)扣除，這對(duì)于居民和學(xué)校來(lái)說(shuō)是巨大的壓力，所以也不可取。結(jié)合小區(qū)用水的特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的考慮,決定采用恒壓變頻供水系統(tǒng)。1.3 變頻恒壓供水的主要研究方向通過(guò)對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶(hù)對(duì)供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)備變頻器和PLC作為主要控制設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。論文包括以下內(nèi)容：1 論文在對(duì)課題對(duì)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思路，確定論文主要的研究?jī)?nèi)容和研究方法；2分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數(shù)，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法和閥門(mén)控制法作了比較，詳細(xì)分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。并分析了變頻調(diào)速方式對(duì)減少供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)，提高系統(tǒng)安全性的作用。3論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的分析和研究。從用戶(hù)的需求入手確定設(shè)備的選型；詳細(xì)分析全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行的各種有效狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換過(guò)程，討論P(yáng)LC的程序設(shè)計(jì)方法及程序執(zhí)行特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設(shè)計(jì)方案；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。4 通過(guò)計(jì)算機(jī)和PLC的通信，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控是本論文的一個(gè)特色之處。論文介紹了計(jì)算機(jī)和PLC通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)方法。2 變頻恒壓供水現(xiàn)有的理論支持2.1 變頻控制恒壓供水控制方式水泵設(shè)計(jì)是按工頻運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)的，但供水時(shí)除高峰外，大部分時(shí)間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及微機(jī)技術(shù)有微機(jī)控制，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。新型變頻調(diào)速供水設(shè)備將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用宏的新型變頻器。為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。這類(lèi)變頻器的價(jià)格僅比通用變頻器略微高一點(diǎn)，但功能卻強(qiáng)很多，所以采用帶有內(nèi)置PID功能的變頻器生產(chǎn)出的恒壓供水設(shè)備，降低了設(shè)備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。2.2 供水系統(tǒng)的安全性討論1 水錘效應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，稱(chēng)為水錘效應(yīng)。2 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過(guò)減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)徹底消除水錘效應(yīng)。3. 變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用(1) 消除了水錘效應(yīng)，減少了對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命；(2) 降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)；(3) 避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命；(4) 減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性：3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 供水專(zhuān)用變頻器的功能供水專(zhuān)用變頻器（普通變頻器+PLC），是集供水控制和供水管理一體化的系統(tǒng)。內(nèi)置供水專(zhuān)用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)供水有兩種基本運(yùn)行方式：變頻泵固定方式和變泵循環(huán)方式。變頻泵固定方式最多可以控制7臺(tái)泵，可選擇“先開(kāi)先關(guān)”和“先開(kāi)后關(guān)”（適用泵容量不用場(chǎng)合）2種水泵關(guān)閉順序。變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺(tái)泵，系統(tǒng)以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵。靈活配置常規(guī)泵、消防泵、排污泵、休眼泵，便于實(shí)現(xiàn)供水泵房全面自動(dòng)化。3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)總體控制方案的確定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。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)，其中由變頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。(2)信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來(lái)水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào):水壓信號(hào):它反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。(3)控制系統(tǒng)供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法.變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。(4)人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。通過(guò)人機(jī)界面，使用者可以更改設(shè)定壓力，修改一些系統(tǒng)設(shè)定以滿(mǎn)足不同工藝的需求，同時(shí)使用者也可以從人機(jī)界面上得知系統(tǒng)的一些運(yùn)行情況及設(shè)備的工作狀態(tài)。(5)通訊接口通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來(lái)，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等(6)報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。3.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要器件系統(tǒng)所需的主要硬件有：變頻器PLC及擴(kuò)展模塊水泵機(jī)組壓力傳感器軟啟動(dòng)器或自耦變壓器3.4 變頻器的選型三菱FR-A500變頻器性能概況。FR-A500系列在三菱變頻器家族中屬于多功能、通用性、重負(fù)載適用的變頻器。其功率范圍為0.4800kW 3相380V，F(xiàn)R-A540（L）系列，采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，可實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá)1：120（0.560HZ）。隨機(jī)待用一個(gè)簡(jiǎn)易操作面板（FR-DU04），也可使用選件FR-PU04（LCD顯示，帶菜單功能），巨有可拆卸式的風(fēng)扇和接線端子，使用維護(hù)方便。超低噪聲運(yùn)行（采用柔性PWM方式），內(nèi)置RS-485,可通過(guò)插卡實(shí)現(xiàn)與CC-Link、DeviceNet TM、Profibus-DP和MOdbus plus 的聯(lián)網(wǎng)。操作簡(jiǎn)單，巨涌參數(shù)復(fù)制及參數(shù)組自選功能，用戶(hù)可自己選擇讀寫(xiě)的參數(shù)組。該系列變頻器功能較強(qiáng)，具有內(nèi)置PID控制、工頻切換順序、停電減速停車(chē)控制等功能。3.4.1 PLC及其擴(kuò)展模塊的選型可編程序控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)，它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。PLC的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖所示：圖3-3的硬件結(jié)構(gòu)框圖電源模塊CPU模塊存儲(chǔ)器模塊輸入模塊輸出模塊控制對(duì)象通信模塊計(jì)算機(jī)編程器智能模塊操作模塊3.4.2 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。ISG型管道離心泵根據(jù)IS型離心泵與管道泵之性能參數(shù)，參照ISO2858和最新的國(guó)家管道離心泵標(biāo)準(zhǔn)JB/T53058-93進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的高效節(jié)能產(chǎn)品。該泵采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)水力模型優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。同時(shí)根據(jù)使用溫度、介質(zhì)等不同在ISG型基礎(chǔ)上派生出熱水泵、高溫泵、化工泵、油泵等，是目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定型推廣產(chǎn)品。3.4.3 壓力傳感器的選型壓力傳感器是將水管中的壓力信號(hào)變成1-5V或4-20mA的模擬量信號(hào)，作為模擬輸入模塊(AD模塊)的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過(guò)程中的干擾與損耗，我們采用420mA輸出壓力傳感器。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)壓力傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開(kāi)啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備(熱水器、抽水馬桶等)，本文中的供水系統(tǒng)設(shè)定了壓力上限輸出，作為PLC的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出口。3.5 變頻器和控制電路設(shè)計(jì)生活用水壓力用安裝于生活用水管網(wǎng)上的壓力變送器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)值送入變頻器的4端，壓力設(shè)定值由變頻器的2 端輸入。管網(wǎng)壓力的上限和下限信號(hào)分別由變頻器的FU和OL端送入PLC，由PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力進(jìn)行水泵電機(jī)組的邏輯控制。當(dāng)變頻器故障時(shí)，由A端和C端輸出一報(bào)警信號(hào)給PLC，由PLC控制切斷水泵電機(jī)組運(yùn)行，同時(shí)PLC輸出聲光報(bào)警信號(hào)，此時(shí)可由人工通過(guò)手動(dòng)按鈕控制使水泵電機(jī)組于工頻狀態(tài)運(yùn)行，以保持供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖3-4 PLC控制電路 本系統(tǒng)采用變頻器內(nèi)置的PID功能進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，比以往采用帶有入模出模的可編程控制器或PID調(diào)節(jié)器的變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低了PID算法編程難度和設(shè)備成本，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了安裝調(diào)試時(shí)間。消防用水用安裝于消防管網(wǎng)上的水流檢測(cè)器將檢測(cè)值送入PLC進(jìn)行消防水泵自動(dòng)啟動(dòng)和停止控制，其壓力用安裝于管網(wǎng)上的壓力表將壓力檢測(cè)值送入PLC，由PLC控制消防水泵邏輯切換，以保持消防用水壓力恒定。當(dāng)水流檢測(cè)器出現(xiàn)故障時(shí)，可由PLC外接消防水泵啟動(dòng)和停止按鈕進(jìn)行手動(dòng)啟?？刂?。每臺(tái)水泵電機(jī)均設(shè)有軟啟動(dòng)器和電機(jī)保護(hù)器，以保護(hù)水泵電機(jī)和防止水泵電機(jī)在運(yùn)行切換時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。3.6 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)圖3-5 系統(tǒng)控制電路在圖中，SA為手動(dòng)自動(dòng)選擇開(kāi)關(guān)，SA打在“1”的位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在“2”的位置為自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)時(shí)，按下按鈕SB1SB10可以控制五臺(tái)水泵的啟停，控制生活和消防用水。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。圖中的，分別為的個(gè)中間繼電器的觸點(diǎn)。圖中的為自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電源狀態(tài)指示燈。它們都是通過(guò)控制接觸器的通斷來(lái)控制水泵的啟動(dòng)和停止。4 變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理4.1.1生活供水系統(tǒng)工作原理生活供水系統(tǒng)水泵的基本控制策略是遵循先入先出的原則，即先接通先斷開(kāi)，用水量增加時(shí)先將原變頻工作的水泵切換為工頻運(yùn)行，同時(shí)增加一臺(tái)水泵為變頻運(yùn)行；用水量減少時(shí)，將先啟動(dòng)的水泵停機(jī)。每臺(tái)水泵變頻工頻運(yùn)行概率相同，以避免某臺(tái)水泵長(zhǎng)期不運(yùn)行而生銹的情況發(fā)生。當(dāng)用水量不大時(shí)，一臺(tái)水泵( 1#水泵)在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)用水量增大時(shí)，管網(wǎng)壓力下降，當(dāng)管網(wǎng)壓力下降到下限值時(shí)由變頻器輸出一下限信號(hào)給PLC，PLC 自動(dòng)將第二臺(tái)水泵（2# 水泵）投入變頻運(yùn)行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第一臺(tái)水泵（1# 水泵）切換為工頻運(yùn)行，兩臺(tái)水泵運(yùn)行以加大管網(wǎng)的供水量保持壓力穩(wěn)定。若兩臺(tái)水泵運(yùn)行仍不能滿(mǎn)足用水量的需要時(shí)，則PLC自動(dòng)將第三臺(tái)水泵（3# 水泵）投入變頻運(yùn)行，將原工作在變頻狀態(tài)下的第二臺(tái)水泵（2# 水泵）切換為工頻運(yùn)行，三臺(tái)水泵運(yùn)行以進(jìn)一步加大管網(wǎng)的供水量保持壓力穩(wěn)定。4.1.2消防供水系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)設(shè)置消防水泵工頻運(yùn)行，由PLC 進(jìn)行消防水泵電機(jī)組自動(dòng)控制，在備用時(shí)消防水泵自動(dòng)定期交替試運(yùn)行。一旦發(fā)生火警，由煙感或溫感傳感器打開(kāi)消防噴淋頭，或者人工打開(kāi)消防水槍?zhuān)瑒t水流檢測(cè)器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，消防水泵自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。消防供水的恒壓控制是通過(guò)壓力檢測(cè)器的低壓觸點(diǎn)和高壓觸點(diǎn)與PLC聯(lián)合控制的，其控制過(guò)程與生活用水恒壓控制類(lèi)似。當(dāng)消防用水完畢后，水流檢測(cè)器常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)或者手動(dòng)按下消防水泵停止按鈕，則重新進(jìn)入試機(jī)循環(huán)。4.2系統(tǒng)的主程序流程圖主程序?qū)崿F(xiàn)的功能比較多，如泵的切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合以及報(bào)警處理程序等都在主程序中。在變頻恒壓供水系統(tǒng)中生活和消防雙恒壓的兩個(gè)恒壓值都是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)計(jì)的。NYNNY1號(hào)3號(hào)泵工頻運(yùn)行控制故障報(bào)警處理及消鈴主程序結(jié)束1號(hào)3號(hào)泵變頻運(yùn)行控制主程序開(kāi)始調(diào)用初始化子程序，每99m調(diào)用定時(shí)中斷程序（含PID調(diào)節(jié)）傳送壓力給定值激活變頻泵泵號(hào)存儲(chǔ)器工頻泵號(hào)數(shù)加1變頻泵運(yùn)行時(shí)間達(dá)5h變頻器頻率達(dá)上限經(jīng)濾波延時(shí)后，仍達(dá)上限Y增泵或是倒泵時(shí)經(jīng)軟啟動(dòng)后關(guān)當(dāng)前泵，置下一泵變頻運(yùn)行變頻器頻率達(dá)下限經(jīng)濾波延時(shí)后，仍達(dá)下限工頻泵號(hào)數(shù)減1圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖（1）由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量的管理。為了實(shí)現(xiàn)恒定水壓，那么在水壓減低時(shí)，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺(tái)水泵工作不能滿(mǎn)足恒壓要求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵。（2）多臺(tái)組泵的管理規(guī)范。由于變頻器希望每一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用。（3）故障診斷和報(bào)警輸出程序。變頻器具有短路、過(guò)載等保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷一次供電電路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號(hào)。4.3 PID調(diào)節(jié)器控制以及參數(shù)整定4.3.1 PID調(diào)節(jié)器控制在變頻供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要保證供水系統(tǒng)的壓力恒定，就要用到調(diào)節(jié)器。在恒壓供水系統(tǒng)中，如果僅用P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(dòng)作的PI控制，如圖4-2所示。設(shè)定點(diǎn)變頻器電動(dòng)機(jī) Y偏差 X+ Y 反饋值執(zhí)行量FiPID運(yùn)算Kp(1+1TIs+Tds)M驅(qū)動(dòng)電路Kp：比例常數(shù) TI：積分時(shí)間 Td：微分時(shí)間 圖4-2 PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進(jìn)行比較。在恒壓供水中常見(jiàn)的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機(jī))上做PID控制器.4.3.2變頻器PID參數(shù)調(diào)整流程圖主程序?qū)崿F(xiàn)的功能比較多，如泵的切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合以及報(bào)警處理程序等都在住程序中。泵組程序主要實(shí)現(xiàn)如下的功能：（1） 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量的管理。為了實(shí)現(xiàn)恒定水壓，那么在水壓減低時(shí)，需要升高變頻器的輸出頻率，并且在一臺(tái)水泵工作不能滿(mǎn)足恒壓要求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)水泵。 （2）多臺(tái)組泵的管理規(guī)范。由于變頻器希望每一臺(tái)啟動(dòng)電機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用。因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵的時(shí)候，以新運(yùn)行泵為變頻是合理的。復(fù)位并且用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。（3）故障診斷和報(bào)警輸出程序。變頻器具有短路、過(guò)載等保護(hù)功能。當(dāng)發(fā)生上述情況時(shí)，變頻器將自動(dòng)切斷一次供電電路，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)并輸出報(bào)警信號(hào)。否是開(kāi)始確定設(shè)定值確定被設(shè)對(duì)象的設(shè)定值將設(shè)定值轉(zhuǎn)換為百分?jǐn)?shù)%計(jì)算設(shè)定值與傳感器輸出的比例關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)定設(shè)定值按照設(shè)定值的百分?jǐn)?shù)%從端子25輸入相應(yīng)的電壓運(yùn)行將比例范圍和積分時(shí)間設(shè)定稍微大一點(diǎn)，微分時(shí)間設(shè)定稍微小一點(diǎn)，接通啟動(dòng)信號(hào)目標(biāo)值是否平穩(wěn)？調(diào)節(jié)參數(shù)將比例范圍和積分時(shí)間設(shè)定在增大一些，微分時(shí)間設(shè)定在減小一些，使目標(biāo)值趨于平衡。完善參數(shù)當(dāng)目標(biāo)值穩(wěn)定時(shí)，可以將比例范圍和積分時(shí)間減低一些，微分時(shí)間加大一些。結(jié)束圖4-3 PID參數(shù)流程圖4.3.3變頻器PID參數(shù)設(shè)置及參數(shù)調(diào)整變頻器能夠進(jìn)行流量、風(fēng)量或者壓力等的過(guò)程控制，是由端子2輸入信號(hào)或參數(shù)設(shè)定值作為目標(biāo)和端子4輸入信號(hào)作為反饋量組成PID控制的反饋系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中變頻器PID用到的基本參數(shù)如下圖表1與表2所示。表1 變頻器端子接線1信號(hào)使用端子功能說(shuō)明輸入X14RTPID控制選擇X14 閉合時(shí)選擇PID控制22設(shè)定輸入輸入PID的設(shè)定值44反饋輸入從傳感器來(lái)的420mA 反饋量輸出FUPFU上限輸出輸出指示反饋量信號(hào)已超過(guò)上限值FDNOL下限輸出輸出指示反饋量信號(hào)已超過(guò)下限值SESE輸出公共端子FUP、FDN 的公共端子表2 變頻器PID 運(yùn)算參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)設(shè)定值名稱(chēng)12810選擇PID控制1120211290.1到100%PID比例范圍常數(shù)1300.1到3600sPID積分時(shí)間常數(shù)1310.1到100%上限1320.1到100%下限1330.1到100%用FU設(shè)定的PID 控制設(shè)定值1340.01到10.00sPID 微分時(shí)間常數(shù)在本變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿(mǎn)量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿(mǎn)量程的90%（滿(mǎn)量程數(shù)字值為4000）。本系統(tǒng)中的比例增益和時(shí)間常數(shù)為：比例增益Kp=0.25，采樣時(shí)間Ts=0.5s，積分時(shí)間TI=60s。5 系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 PLC通信程序設(shè)計(jì)PLC通信程序設(shè)計(jì)只須對(duì)D8120、D812l和D8129三個(gè)特殊功能寄存器的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，確定通信格式和通信協(xié)議即可皿引。在設(shè)計(jì)中，選擇的通信參數(shù)為波特率9600，偶校驗(yàn)，7位數(shù)據(jù)，1位停止位，站號(hào)為1，校驗(yàn)時(shí)間10ms，其梯形圖如圖5-1所示。M8002MOV H6086 D8120MOV H0000 D8121MOV K0 D8129圖5-1 PLC通信參數(shù)設(shè)置梯形圖5.2上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)工控組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，使控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員不必依靠某種具體計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，只需可視化組態(tài)方式，就可完成監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，降低了監(jiān)控程序開(kāi)發(fā)難度。組態(tài)軟件均具有良好擴(kuò)展性、兼容性，軟件結(jié)構(gòu)開(kāi)放，可接受各種形式數(shù)據(jù)格式。同時(shí)，支持硬件類(lèi)型也十分廣泛。工控組態(tài)軟件出現(xiàn)，使大型工業(yè)控制系統(tǒng)組態(tài)編程變十分簡(jiǎn)單、容易，工程設(shè)計(jì)