畢業(yè)設(shè)計(jì)-某小區(qū)高樓變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　某小區(qū)高樓變頻恒壓 </p><p><b>　　供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了更高的要求。城市供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到用

2、戶的正常工作和生活。隨著人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)出高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)供水廠復(fù)雜環(huán)境的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。</p><p>　　本文首先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行特性曲線，闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理；具體分析了變頻恒水壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，通過(guò)研究和比較，得出結(jié)論:變頻調(diào)速是當(dāng)今國(guó)際上一項(xiàng)效益最高、性能最好、應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前

3、途的電機(jī)調(diào)速技術(shù)。因此本文以采用變頻器和PLC 組合構(gòu)成系統(tǒng)的方式，以某居民小區(qū)水泵電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)為對(duì)象，逐步闡明如何實(shí)現(xiàn)水壓恒定供水。</p><p>　　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)。對(duì)輸入輸出點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，共有13個(gè)輸入輸出點(diǎn)，根據(jù)PLC的選型原則，設(shè)備選用了在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的西門子公司生產(chǎn)的S7-200系列(CPU222)的PLC和MM430泵類專用的變頻器，利用變頻器的本身自有的軟啟動(dòng)功

4、能實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的啟動(dòng)。在控制過(guò)程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器的內(nèi)置PID控制方式完成，根據(jù)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和控制要求，結(jié)合變頻器的功能參數(shù)表預(yù)置了相關(guān)的參數(shù)。在介紹了PLC的編程方法的基礎(chǔ)上，選用了適合初學(xué)者的邏輯代數(shù)編程，寫出了恒壓變頻供水的邏輯代數(shù)，并設(shè)計(jì)了梯形圖，利用PLCSIM仿真軟件進(jìn)行了仿真，仿真的結(jié)果表明了設(shè)計(jì)程序的正確性。利用了WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了高樓變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的界面，界面可動(dòng)態(tài)反映

5、水泵變頻供水的工作狀態(tài)。最后對(duì)恒壓供水進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析，分析的結(jié)果表明具有明顯的節(jié)能效益。</p><p>　　關(guān)鍵詞：恒壓供水，變頻調(diào)速，PLC，設(shè)計(jì)，仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　As China's social and economic development, urban c

6、onstruction and development very quickly, but also the construction of infrastructure facilities has put forward higher requirements. City water supply system construction is one of the important aspects of the water sup

7、ply reliability and stability, the economy of a direct impact on the user's normal work and life. As people on the water quality and water supply systems in the continuous improvement of reliability requirements, the

8、 use of advan</p><p>　　In this paper, pipe network and pumps under the operation of the curve, clarify the water supply system for energy-saving Frequency Control Principle; specific analysis of the frequenc

9、y of the principle of constant pressure water supply system and the composition of the structure, through research and comparison, concluded: Frequency Control is the highest international one-effectiveness, performance,

10、 the best and most widely, the most The future development of the Motor technology. Therefore th</p><p>　　A control system for the main circuit design, control circuit design. The input and output points to

11、the statistics, a total of 13 input and output, the PLC in accordance with the principle of selection, equipment selection in the production of the most widely produced by Siemens S7-200 series (CPU222) of the PLC and pu

12、mps for MM430 The converter, using its own frequency converter itself to achieve the soft-start the pump motor launch. In the control process, the electronic control system comple</p><p>　　Keywords：Constant

13、pressure Water Supply ，Variable velocity Variable frequency，PLC，Design，Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1

14、</b></p><p>　　1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義2</p><p>　　1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況2</p><p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍3</p><p>　　1.4 本人的主要工作3</p>

15、<p>　　第二章 變頻恒壓供水的理論分析4</p><p>　　2.1 水泵的工作原理4</p><p>　　2.2 供水電機(jī)的搭配4</p><p>　　2.3 水泵的調(diào)節(jié)方式5</p><p>　　2.4 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析6</p><p>　　2.5 供水系統(tǒng)的安全性問題7<

16、;/p><p>　　2.5.1 水錘效應(yīng)7</p><p>　　2.5.3 水錘效應(yīng)的消除8</p><p>　　2.5.4 延長(zhǎng)水泵壽命的其他因素8</p><p>　　第三章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案9</p><p&g

17、t;　　3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案10</p><p>　　3.3 供水設(shè)備的選擇原則11</p><p>　　3.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型12</p><p>　　3.4.1 水泵的參數(shù)計(jì)算與型號(hào)的選擇12</p><p>　　3.4.2 變頻器的選擇12</p><p>　　3.4.3

18、 壓力傳感器的選擇14</p><p>　　3.4.4 水位傳感器的選擇14</p><p>　　3.4.5 其他低壓電器的選擇14</p><p>　　3.5 PLC的選型15</p><p>　　3.5.1 I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)15</p><p>　　3.5.2 PLC選型的基本原則15</

19、p><p>　　3.5.3 I/O的分配16</p><p>　　3.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.7 PID參數(shù)的預(yù)置17</p><p>　　第四章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 常用編程方法19</p><p>　　4.1.1

20、 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法19</p><p>　　4.1.2 翻譯設(shè)計(jì)法19</p><p>　　4.1.3 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法20</p><p>　　4.2 編程軟件的簡(jiǎn)單介紹22</p><p>　　4.3 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.4 程序的仿真與調(diào)試26</p>&l

21、t;p>　　4.4.1 仿真軟件的簡(jiǎn)介26</p><p>　　4.4.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試27</p><p>　　4.5 恒壓變頻供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.5.1 WinCC軟件簡(jiǎn)介29</p><p>　　4.5.2 恒壓供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì)30</p>

22、<p>　　4.6 經(jīng)濟(jì)效益分析33</p><p>　　第五章 總結(jié)與期望35</p><p><b>　　5.1 總結(jié)35</b></p><p><b>　　5.2 展望35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)36</b></p

23、><p><b>　　致 謝37</b></p><p>　　附錄 語(yǔ)句表38</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的

24、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。</p><p>

25、;　　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

26、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。</p><p>　　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)、

27、電氣傳動(dòng)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控;同時(shí)可達(dá)到良好的節(jié)能性，提高供水效率。所以設(shè)計(jì)基于變頻調(diào)速的恒定水壓供水系統(tǒng)(簡(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。</p><p>　　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&

28、lt;/p><p>　　1.2 本課題產(chǎn)生的背景和意義</p><p>　　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，沒有頻繁的

29、啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來(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。</p><p>　　1.3 變頻恒壓供水的現(xiàn)況</p><p>　　1.3.1 國(guó)內(nèi)外變頻供水系統(tǒng)現(xiàn)狀</p>

30、<p>　　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)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。</p><p>　　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

31、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)一步改進(jìn)和完善。</p><p>　　1.3.2 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用范圍</p><p>　　變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:</p><

32、p>　　(1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　　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。</p><p>　　(2) 國(guó)內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　　這類

33、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135kV～320kW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。</p><p>　　(3) 大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)</p><p>　　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

34、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)。</p><p>　　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)萘烤涂梢酝ㄓ糜诟鞣N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

35、對(duì)變頻恒壓供水系統(tǒng)加以改進(jìn)和完善[1][2][3][4]。</p><p>　　1.4 本人的主要工作</p><p>　　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)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

36、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)域所取得的成果及局限性。</p><p>　　第二章 變頻恒壓供水的理論分析</p><p>　　2.1 水泵的工作原理</p><p>　　供水所用水泵主要是

37、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。</p><p>　　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

38、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[5]。</p><p>　　圖2.1 離心泵結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　2.2 供水電機(jī)的搭配</p><

39、p>　　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):</p><p>　　(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。</p><p>　　(2) 如果電動(dòng)機(jī)功率

40、選得過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)“小馬拉小車”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)。</p><p>　　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)（kW），可按式(2.1)計(jì)算所需電動(dòng)機(jī)的功率[6](kW)：</p><p><b>　　(2.1)</b><

41、;/p><p>　　式中，為生產(chǎn)機(jī)械的效率，為電動(dòng)機(jī)的效率，即傳動(dòng)效率。</p><p>　　按上式求出的功率，不一定與產(chǎn)品功率相同。因此，所選電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)等于或稍大于計(jì)算所得的功率。</p><p>　　2.3 水泵的調(diào)節(jié)方式</p><p>　　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

42、位置，使流量、揚(yáng)程、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。</p><p>　　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

43、下[6]：</p><p>　　2.4 恒壓供水系統(tǒng)的能耗分析</p><p>　　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)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)

44、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)。</p><p>　　(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。</p><p>　　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。</p><p>　　如圖 2.3所示，設(shè)

45、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€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①，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。</p><p>　　圖2.3 調(diào)節(jié)流量的方法與比較</p><p>　　(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

46、轉(zhuǎn)速控制法。</p><p>　　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。</p><p>　　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②，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。</p>

47、<p>　　比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量(Qx<100%QN)的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門控制方式小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果最基本的方面。</p><p>　　對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的要求。所以，流量是

48、供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但是揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制。考慮到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由流量QG表示）和用水要求（由流水量QU表示）之間的平衡情況有關(guān)。</p><p>　　如：供水能力QG>用水需求QU，則壓力上升（P↑）；</p><p>　　如：供水能力QG<用水需求QU，則壓力上升（P↓）；</p><p&g

49、t;　　如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力上升（P不變）。</p><p>　　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[7][8]。</p><p>　　2.5

50、 供水系統(tǒng)的安全性問題[9]</p><p>　　2.5.1 水錘效應(yīng)</p><p>　　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)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

51、，故稱為水錘效應(yīng)。</p><p>　　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)。</p><p>　　2.5.2 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因</p><p>　　產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在

52、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)。</p><p>　?。╝）全壓?jiǎn)?dòng) （b）變頻啟動(dòng)</p><p>　　圖2.4 水泵的全壓?jiǎn)?dòng)與變頻啟動(dòng)</p><

53、p>　　在拖動(dòng)系統(tǒng)中，決定加速過(guò)程的是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩</p><p>　　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。</p><p>　　2.5.3 水錘效應(yīng)的消除</p><p>　　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)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

54、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)。</p><p>　　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)。</p><p>　　2.5.4 延長(zhǎng)水泵壽命的其他因素</p><p>　　水錘效應(yīng)的消除，無(wú)疑可

55、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:</p><p>　　(1) 葉片承受的應(yīng)力大為減小。</p><p>　　(2) 軸承的磨損也大為減小。</p><p>　　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)。</p><p>　　第三章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)</

56、p><p>　　3.1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案</p><p>　　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

57、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。</p><p>　　圖3.1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖</p><p>　　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

58、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)[10]。</p><p>　　3.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案</p><p>　　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)

59、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)。</p><p>　　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。</p><p>　　圖3.2 控制原理框圖</p><p>　　控制系統(tǒng)的工作原

60、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1—2—3—4—1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，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。

61、</p><p>　　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。</p><p>　　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

62、，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，而變頻器電源啟動(dòng)1號(hào)泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài)4。</p><p>　　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。</p><p>　　當(dāng)控

63、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[11]。</p><p>　　3.3 供水設(shè)備的選擇原則</p><p>　　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

64、（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。</p><p>　　不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　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。</p><p>　　表3.1 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　2. 供水規(guī)模換算表

65、。</p><p>　　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3.2。上面一行為用水標(biāo)準(zhǔn)(/人日)，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模(/h)。</p><p>　　表3.2 供水規(guī)模換算表</p><p>　　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。</p><p>　

66、　表3.3 水泵，電機(jī)和變頻器選型表</p><p><b>　　注：N為水泵臺(tái)數(shù)</b></p><p>　　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[12]</p><p>　　P=（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa (3.1)</p>

67、<p>　?。?）系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循以下的原則：</p><p>　　① 蓄水池容量應(yīng)大于每小時(shí)最大供水量；</p><p>　?、?水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實(shí)際供水高度；</p><p>　?、?水泵流量總和應(yīng)大于實(shí)際最大供水量。</p><p>　　3.4 參數(shù)的計(jì)算與供水設(shè)備選型</p><p>　　3.4

68、.1 水泵的參數(shù)計(jì)算與型號(hào)的選擇</p><p>　　(1) 根據(jù)表3.1確定用水量標(biāo)準(zhǔn)為0.19/人日。</p><p>　　(2) 根據(jù)表3.2確定每小最大用水量為175.00/h。</p><p>　　(3) 根據(jù)10層樓高度35m，按照式(3.1)計(jì)算得</p><p>　　P =（0.08+0.04×樓層數(shù)）MPa=0

69、.48MPa </p><p>　　可確定設(shè)置供水壓力值為0.48MPa。</p><p>　　根據(jù)表3.3確定水泵型號(hào)為100DL3，工3臺(tái)(其中一臺(tái)做備用)，水泵自帶電動(dòng)機(jī)功率為30kW。</p><p>　　3.4.2 變頻器的選擇</p><p>　　本系統(tǒng)中 ，采用MciorMaster430

70、系列變頻器，型號(hào)為HVAC(風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型)EC01—4500/3，額定電壓為380V—500V，額定功率35kW。MicroMaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍7.5kW至250Kw。它按照專用要求設(shè)計(jì)，并使用內(nèi)部功能互聯(lián)(BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的EMC(電磁兼容性)設(shè)計(jì)；控制軟件可以實(shí)現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動(dòng)/自動(dòng)切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測(cè)、節(jié)能運(yùn)行方式

71、等[14]。</p><p>　　1. MM430變頻器介紹</p><p>　　MciorMaster430變頻器的端子接口分布如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 MM430 端子接口分布圖</p><p><b>　　2. 端子功能介紹</b></p><p>　　各端子的功能如

72、表3.4所示。</p><p>　　表3.4 端子功能表</p><p>　　3.4.3 壓力傳感器的選擇</p><p>　　CYYB-120系列壓力變送器為兩線制4～20mA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4～20m

73、A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[13]。主要特點(diǎn)：</p><p>　　（1）高穩(wěn)定性、高精

74、度、寬的工作溫度范圍；</p><p>　?。?）抗沖擊、耐震動(dòng)、體積小、防水；</p><p>　?。?）標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出、良好的互換性、抗干擾性強(qiáng)；</p><p>　?。?）最具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。</p><p>　　3.4.4 水位傳感器的選擇</p><p>　　SL980-投入式液位變送器，廣泛用于儲(chǔ)水池、污水

75、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[14]。</p><p>　　3.4.5 其他低壓電器的選擇</p><p><b>　　1. 斷路器的選擇</b&g

76、t;</p><p>　　（1） ，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，斷路器的額定電流應(yīng)選</p><p>　?。ˋ） (3.2)</p><p>　　式中為變頻器的額定輸出電流&

77、lt;/p><p><b>　　所以，選90A。</b></p><p>　　（2） 斷路器選擇。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，斷路器的額定電流應(yīng)選</p><p><b>　　(A) </b></p><p>　　式中為電動(dòng)機(jī)的額定電流，=

78、60A。</p><p><b>　　所以選160A。</b></p><p><b>　　2. 接觸器的選擇</b></p><p>　　接觸器的選擇應(yīng)考慮到電動(dòng)機(jī)在工頻下的起動(dòng)情況，其觸點(diǎn)電流通?？砂措妱?dòng)機(jī)的額定電流再加大一個(gè)檔次來(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。</p>

79、;<p>　　3.5 PLC的選型</p><p>　　3.5.1 I/O點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　表3.5 I/O統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　3.5.2 PLC選型的基本原則</p><p>　　這是PLC應(yīng)用設(shè)計(jì)中

80、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[15]。</p><p><b>　?。?）規(guī)模要適當(dāng)；</b></p><p>　　（2）功能要相當(dāng)，結(jié)構(gòu)要合理；</p><p>　?。?）輸入，輸出功能及負(fù)載能力的選擇要正確；</p><p>　　（4）要考慮環(huán)境條件。</p&

81、gt;<p>　　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。</p><p>　　3.5.3 I/O的分配</p><p>　　根據(jù)功能要求和工藝流程，我們統(tǒng)一了I/O接點(diǎn)的分配，分配表如表3.6所示。根據(jù)PLC口的分配，系統(tǒng)的控制要求以及合理利用I/O口的原則[16]。</p><p>　　表3.6 I/O分配表&

82、lt;/p><p>　　3.6 系統(tǒng)硬件線路設(shè)計(jì)</p><p>　　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電氣連鎖，連鎖功能由軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。在變頻水泵出現(xiàn)問題或緊急情況下，可以起用備用水泵。</p><p><b>　　圖3.4 主電路圖</b></p><p&g

83、t;　　系統(tǒng)的控制線路如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 控制線路圖</p><p>　　3.7 PID參數(shù)的預(yù)置</p><p>　　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4～20mA輸入，將DIP開關(guān)2撥到OFF位置選

84、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[17]。</p><p>　　表3.7 MM430參數(shù)預(yù)置表</p><p>　　第四章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 常用編程方法</p><p>　　4.1.1 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法</p><p>　　在熟悉繼電器控制電

85、路設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，如能透徹地理解PLC各種指令的功能，憑著經(jīng)驗(yàn)比較準(zhǔn)確地使用PLC 的各種指令，而設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序。設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　?。?） 確定輸入、輸出電器；</p><p>　?。?） 確定輸入、輸出點(diǎn)數(shù)；</p><p>　?。?） 選擇PLC 并編程；</p><p>　?。?）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來(lái)

86、。</p><p>　　這種編程方法沒有普遍的規(guī)律可循，具有很大的試探性和隨意性，最后的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，它一般只用于簡(jiǎn)單的梯形圖設(shè)計(jì)(如手動(dòng)程序) 。</p><p>　　4.1.2 翻譯設(shè)計(jì)法</p><p>　　它是把繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的電器原理圖直接翻譯成PLC 梯形圖。</p><

87、p>　　1. 翻譯設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下：</p><p>　　(1) 將檢測(cè)元件、控制元件(如行程開關(guān)、按鈕等) 合理安排,接入PLC 的輸入口；</p><p>　　(2) 將被控對(duì)象(如電磁閥線圈、接觸器線圈等) 接入PLC 的輸出口；</p><p>　　(3) 把由繼電器—接觸器完成的控制功能由PLC 的軟件(即梯形圖) 來(lái)完成。</p>

88、<p><b>　　2. 應(yīng)用舉例</b></p><p>　　例如:電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路,原理線路如圖4.1所示。</p><p>　　改用PLC 控制后,其I/ O 接線和梯形圖分別如圖4.2 ,圖4.3所示。</p><p>　　圖4.1 電氣原理圖</p><p>　　圖4.2 I/O接線圖<

89、;/p><p>　　圖4.3 電機(jī)正反轉(zhuǎn)梯形圖</p><p>　　4.1.3 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法</p><p>　　在繼電器—接觸器控制線路中用邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法比較容易獲得設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)出來(lái)的控制線路既符合工藝要求，又達(dá)到工作可靠、經(jīng)濟(jì)合理，因而得以廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1. 邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法的設(shè)計(jì)步驟如下</p>&l

90、t;p>　　（1） 根據(jù)控制要求，列出輸入輸出及輔助繼電器等之間關(guān)系的狀態(tài)表；</p><p>　?。?） 根據(jù)狀態(tài)表列寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式，并化簡(jiǎn)；</p><p>　?。?） 根據(jù)化簡(jiǎn)后的邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。</p><p><b>　　2.　應(yīng)用舉例</b></p><p>　　例如：某系統(tǒng)中4 臺(tái)通風(fēng)機(jī)，要

91、求在以下幾種運(yùn)行狀態(tài)下應(yīng)發(fā)出不同的顯示信號(hào):三臺(tái)及三臺(tái)以上開機(jī)時(shí),綠燈常亮; 兩臺(tái)開機(jī)時(shí)，綠燈以5Hz的頻率閃爍；一臺(tái)開機(jī)時(shí),紅燈以5Hz 的頻率閃爍；全部停機(jī)時(shí)，紅燈常亮。為討論方便,設(shè)4 臺(tái)通風(fēng)機(jī)分別為A、B 、C、D ,現(xiàn)以綠燈常亮的設(shè)計(jì)原理為例，其余類推。綠燈閃爍的程序設(shè)計(jì):設(shè)燈常亮為“1”,滅為“0”,風(fēng)機(jī)開為“1”,停為“0”,綠燈常亮有5 種情況，則其狀態(tài)表如表4.1 所示。</p><p>　　表

92、4.1 綠燈閃爍狀態(tài)表</p><p>　　由狀態(tài)表可得F 的邏輯函數(shù)表達(dá)式為:</p><p><b>　　化簡(jiǎn)為: </b></p><p>　　選擇西門子公司S7-200系列的PLC。其I/ O 分配如表4.2 所示。</p><p>　　表4.2 　I/ O 分配表</p><p&g

93、t;　　則其梯形圖如圖4.4 所示:</p><p>　　圖4.4 綠燈常亮梯形圖</p><p>　　其它常用的編程方法還有順序控制設(shè)計(jì)法，功能模塊設(shè)計(jì)法等，在此不再一一詳細(xì)介紹[18]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)法。</p><p>　　4.2 編程軟件的簡(jiǎn)單介紹</p><p>　　STE

94、P7-Micro/WIN32編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)，它功能強(qiáng)大，主要為用戶開發(fā)控制程序使用，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)?，F(xiàn)在加上全中文化程序后，可在中文的界面下進(jìn)行操作，用戶使用起來(lái)更加方便。</p><p>　　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)

95、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。</p><p>　　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。</p><p>　　S7-200PLC使用STE

96、P7-Micro/WIN32編程軟</p><p>　　件進(jìn)行編程。單擊圖4.5所示的編程軟件圖標(biāo)可</p><p>　　進(jìn)入如圖4.6所示的操作界面，在此界面可完成</p><p>　　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)</p><p>　　程序編制后單擊保存，再單擊下載，程序即可供P

97、LC使用。</p><p>　　圖4.6 STEP7-Micro/WIN32操作界面</p><p>　　4.3 恒壓供水系統(tǒng)梯形圖的設(shè)計(jì)</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，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

98、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。</p><p>　　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：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p><b>　　(4.2)</b></p><p&g

99、t;<b>　　(4.3)</b></p><p><b>　　(4.4)</b></p><p><b>　　(4.5)</b></p><p><b>　　(4.6)</b></p><p><b>　　(4.7)</b><

100、/p><p><b>　　(4.8)</b></p><p><b>　　(4.9)</b></p><p><b>　　(4.10)</b></p><p><b>　　(4.11)</b></p><p><b>　　(4

101、.12)</b></p><p><b>　　(4.13)</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　圖4.7 主程序</b></p><p>　　4.4 程序的仿真與調(diào)試</p><

102、;p>　　4.4.1 仿真軟件的簡(jiǎn)介</p><p>　　由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限，本次設(shè)計(jì)采用S7-PLCSIM進(jìn)行仿真。S7-PLCSIM是STEP7中的一個(gè)非常實(shí)用的軟件。我們可以把它作為一臺(tái)仿真的PLC，用于運(yùn)行和測(cè)試用戶程序。因?yàn)檫@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。</p><p>　　

103、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4.8所示。</p><p>　　圖4.8 S7-PLCSIM軟件的界面</p><p>　　4.4.2 恒壓供水系統(tǒng)程序的仿真調(diào)試</p><p>　　在編程窗口中把程序下載到仿真PLC中，如圖4.9所示。</p>

104、<p>　　圖4.9 程序裝載界面 </p><p>　　點(diǎn)擊開始按鈕，1#泵開始變頻運(yùn)行，如圖4.10所示。</p><p>　　圖4.10 1#泵變頻運(yùn)行</p><p>　　變頻器達(dá)到上限，1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行，如圖4-11所示。</p><p>　　圖4.11 1#泵工頻運(yùn)行，2#泵變頻運(yùn)行</p&

105、gt;<p>　　當(dāng)水泵出現(xiàn)故障，啟動(dòng)備用泵，圖4-12為1#泵出現(xiàn)故障的界面。</p><p>　　圖4-12 1#泵出現(xiàn)故障</p><p>　　4.5 恒壓變頻供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì)</p><p>　　4.5.1 WinCC軟件簡(jiǎn)介</p><p>　　工控組態(tài)軟件WinCC是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)

106、和監(jiān)控管理（SCADA）系統(tǒng)。WinCC是Windows Control Center (視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱。它集成了SCADA、 組態(tài)、腳本語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息歸檔、以及報(bào)表等功能模塊。</p><p>　　首先創(chuàng)建通訊驅(qū)動(dòng)程序：建立S7-200與WinCC之間的通訊。其次建立變量標(biāo)簽：每個(gè)標(biāo)簽需要對(duì)每個(gè)變量的標(biāo)簽名，數(shù)據(jù)類型，地址進(jìn)行設(shè)置。最后 建立過(guò)程畫面。 使用Win

107、CC中的圖形編輯器可以繪制各種元素和圖形。該控制系統(tǒng)畫面主要有主畫面、參數(shù)設(shè)置、供電回路、實(shí)時(shí)曲線、報(bào)表統(tǒng)計(jì)、歷史記錄查詢、故障報(bào)警等畫面組成，在上位機(jī)上可以顯示各個(gè)電機(jī)的電流、頻率、水位、水壓、工頻和變頻運(yùn)行的時(shí)間以及各泵的運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)。建立好WinCC和PLC的通訊聯(lián)系后，PLC上的事件順序?qū)⑹强梢暫涂刹僮鞯摹＝M態(tài)軟件畫面主要由以上七塊組成。在實(shí)際運(yùn)行中為了防止有人誤操作而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生傷害，我們對(duì)不同的操作者的權(quán)限作出規(guī)定，對(duì)不同的

108、操作人員設(shè)定不同的操作密碼和相應(yīng)的操作權(quán)限，這樣可以防止有人誤操作而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生傷害[19]。</p><p>　　4.5.2 恒壓供水系統(tǒng)的WinCC界面設(shè)計(jì)</p><p>　　監(jiān)控主畫面的簡(jiǎn)單繪制過(guò)程如下：</p><p>　　從“開始”菜單里啟動(dòng)WinCC的資源管理器窗口，如圖4.13所示。</p><p>　　圖4.13 WinCC

109、資源管理器窗口</p><p>　　在資源管理器窗口里點(diǎn)擊新建按鈕，出現(xiàn)如圖4.14所示的窗口，輸入項(xiàng)目的名稱，并選擇好保存的路徑，單擊“創(chuàng)建”按鈕，一個(gè)新的工程就建立了。</p><p>　　圖4.14 創(chuàng)建新項(xiàng)目窗口</p><p>　　新項(xiàng)目建立好后，就要進(jìn)行變量的添加，以便在以后的過(guò)程中隨時(shí)調(diào)用這些變量。添加變量的方法是在圖4.13所示的窗口中雙擊變量管理器

110、，出現(xiàn)如圖4.15所示的窗口。在窗口的右半部分右擊，再新建變量，并選擇好變量的類型，最后保存即可。</p><p>　　圖4-15 新建變量窗口</p><p>　　添加好變量后，就要進(jìn)行主畫面的繪制了。在圖4-13所示的窗口中雙擊圖形編輯器，出現(xiàn)4.16所示的窗口，在該窗口中，可以對(duì)主畫面的名稱進(jìn)行更改，在本設(shè)計(jì)中，把它重命名為“zhuhuamian”名稱。</p><

111、;p>　　圖4.16 新建主畫面窗口</p><p>　　在圖4.16所示窗口中雙擊“zhuhuamian”，在彈出的窗口中即可進(jìn)行主畫面繪制。完整的主畫面如圖4.17所示。</p><p>　　圖4.17 監(jiān)控主畫面</p><p>　　1#泵變頻的界面如圖4.18所示。</p><p>　　圖4.18 1#泵變頻畫面</p&g

112、t;<p>　　1#工頻、2#變頻的界面如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19 1#泵工頻，2#泵變頻畫面</p><p>　　1#泵故障、2#變頻的界面如圖4.20所示。</p><p>　　圖4.20 1#泵故障，2#泵變頻畫面</p><p>　　4.6 經(jīng)濟(jì)效益分析</p><p>

113、　　從流體力學(xué)原理知道，水泵供水流量與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及功率的關(guān)系為</p><p>　　式中為供水流量，為揚(yáng)程，為電動(dòng)機(jī)軸功率，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)共有2臺(tái)30KW的水泵電動(dòng)機(jī)，假設(shè)沒天運(yùn)行16h，其中4h為額定轉(zhuǎn)速，其余12h為80%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，一年365天節(jié)約電能為</p><p>　　kW·h=64124 kW·h&