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摘要 本論文在分析了供水自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國城市供水的現(xiàn)狀，設(shè)計了一套以變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ)的恒壓供水系統(tǒng)。 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)，采用了PLC進(jìn)行邏輯控制，采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，變頻器、可編程控制器作為系統(tǒng)的核心部件，時刻跟蹤管網(wǎng)與給定壓力的偏差變化，經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運算通過PLC控制變頻與工頻切換，自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓供水，在保持恒壓下達(dá)到控制流量目的。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。 本文從系統(tǒng)的整體設(shè)計方案和實際需求進(jìn)行分析，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。 關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻器；PLC。 目 錄 第一章、緒論 1 1.1變頻恒壓供水的目的和意義 1 1.2恒壓供水系統(tǒng)特點 1 1.3系統(tǒng)應(yīng)用范圍 2 1.4恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 2 1.5節(jié)能原理 2 1.6投資回報及效益分析 3 第二章、變頻調(diào)速技術(shù)概述 3 2.1變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應(yīng)用 4 2.2變頻器工作原理 4 2.3ACS510-01系列變頻器概述 5 2.3.1 特點 5 2.3.2 綜合技術(shù)特性 6 第三章、PLC技術(shù) 7 3.1 PLC技術(shù)的概述 7 3.2 PLC基本組成 7 3.3 西門子S7-200系列PLC概述 7 第四章、PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能 10 4.1 恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及功能簡介 10 4.2 PID控制的實現(xiàn)方法 10 4.3 主要元器件的選型 11 4.4控制系統(tǒng)方案設(shè)計 12 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 12 4.4.2 主控電路設(shè)計 12 4.4.3 PLC硬件設(shè)計 13 4.4.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 16 五、結(jié)束語 23 六、致謝 24 七、參考文獻(xiàn) 25 第一章 緒論 變頻恒壓供水技術(shù)是80年代后期發(fā)展起來的，自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)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)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中也得到了很大的發(fā)展。 1.1 變頻恒壓供水的目的和意義 小區(qū)用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。 恒壓供水系統(tǒng)對于某些工業(yè)或特殊用戶是非常重要的。例如在某些生產(chǎn)過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時斷水，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時使產(chǎn)品報廢和設(shè)備損壞。又如發(fā)生火災(zāi)時，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟損失和人員傷亡。所以，某些用水區(qū)采用恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟和社會意義。 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等零件的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，將使供水實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力，最終達(dá)到高效率的運行目的。 圖1恒壓立式變頻供水設(shè)備 1.2 恒壓供水系統(tǒng)特點 相對與傳統(tǒng)的加壓供水方式，變頻恒壓供水系統(tǒng)的優(yōu)點突出的體現(xiàn)在以下幾個方面： 1.高效節(jié)能：變頻恒壓供水系統(tǒng)的最顯著優(yōu)點就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10-40%。從單臺水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。 2.恒壓供水：變頻恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)供水壓力穩(wěn)定而流量可在大范圍內(nèi)連續(xù)變化，從而可以保證用戶任何時候的用水壓力都不會出現(xiàn)在用水高峰期熱水器不能正常使用的情況。 3.安全衛(wèi)生：系統(tǒng)實行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取代了水塔、天面水池、氣壓罐等設(shè)施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。 4.自動運行、管理簡便：新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時停電保護(hù)、過載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、密碼設(shè)定等功能，功能完善，全自動控制，自動運行，泵房不設(shè)崗位，只需派人定期檢查、保養(yǎng)。 5.延長設(shè)備壽命、保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定：使用變頻器后，機泵的轉(zhuǎn)速不再是長期維持額定轉(zhuǎn)速運行，減少了機械磨損，降低了機泵故障率，而且主泵定時輪換控制功能自動定時輪換主泵運行，保證各泵磨損均勻且不銹死，延長了機泵使用壽命。變頻器的無級調(diào)速運行，實現(xiàn)了機泵軟啟動，避免了電機開停時的大電流對電機線圈和電網(wǎng)的沖擊，消除了水泵的水錘效應(yīng)。 6.占地少、投資回收期短：新型的小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個控制柜，體積很小，整個系統(tǒng)占地就非常小可以節(jié)省投資。另外不用水塔或天面水池、控制間不設(shè)專人管理、設(shè)備故障率極低等方面都實現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運行管理費低的特點，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點，都決定了小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的投資回收期短，一般約2年。 1.3系統(tǒng)應(yīng)用范圍 1、自來水廠、加壓泵房。 2、居民生活區(qū)、賓館及其它建筑。 3、企業(yè)生產(chǎn)用水。 4、鍋爐循環(huán)水系統(tǒng)。 5、農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。 1.4恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制器(PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實際值進(jìn)行比較，其差值輸入CPU運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。恒壓供水就是利用變頻器的PID或PI功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。即將壓力控制點測的壓力信號(4－20mA)直接輸入到變頻器中，由變頻器將其與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號調(diào)整水泵電機的電源頻率，從而實現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。 供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應(yīng)大于實際供水高度，水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。　 1.5節(jié)能原理 水泵為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即水泵的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，而軸功率和負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積成正比，因此，水泵的軸功率與電機轉(zhuǎn)速的立方成正比。 由此可知，當(dāng)要求出水量減少時，可使電機轉(zhuǎn)速降低，而電機轉(zhuǎn)速微量減少，將使功率大幅下降，節(jié)能效果十分明顯。本變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，精心的設(shè)備選型，合理的編程，配合正確的信號給定，使得電機始終處于最佳運行狀態(tài)，節(jié)能潛力得到了最大的發(fā)揮。 1.6投資回報及效益分析 1. 直接效益 水泵恒壓供水避免了開關(guān)閥門造成的節(jié)流損失和關(guān)閉閥門運行時電機所做的無用功，按每年運行300天閥門平均開度80%計算，22kW電機年節(jié)電量可做如下計算: W＝22[1-(0.8)3]24300=7.79萬kWh 電費單價按0.40元/kWh計算,全年可節(jié)約電費： M=7.790.40=3.116萬元 2. 間接效益 (1) 水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造以后，由于系統(tǒng)采用軟啟動連續(xù)變速運行，減少了對水泵的磨損，大大延長了設(shè)備使用壽命和維修周期，減少了維修費用和由此帶來的直接經(jīng)濟損失。 (2) 系統(tǒng)采取過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護(hù)，避免了因電機燒損 而影生產(chǎn)所帶來的直接和間接經(jīng)濟損失。 第二章 變頻調(diào)速技術(shù)概述 2.1變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應(yīng)用 近幾年來電機調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用范圍亦非常廣泛，變頻調(diào)速器（以下簡稱“變頻器”）就是其中的一種，它不僅操作方便，故障率低，且節(jié)能效果明顯，優(yōu)于調(diào)壓調(diào)速、變級調(diào)速、滑差調(diào)速、串級調(diào)速、整流子調(diào)速和液力偶合調(diào)速等。變頻調(diào)速的主要特點如下：(1)體積小，重量輕，可掛墻安裝，不占地面；(2)可手控、遙控，亦可與可編程可控制器、計算機等聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)自控；(3)啟動電流約為電機額定電流的1到1.5倍（電機啟動電流為5倍～6倍額定電流），對電網(wǎng)設(shè)備沖擊??；(4)具有許多種保護(hù)功能（如過壓、欠壓、過流、短路、瞬間停電等）；(5)可減振降噪，延長設(shè)備使用壽命正是由于變頻器具有上述特點，不少企業(yè)把變頻器的應(yīng)用作為一種重要的節(jié)能手段，立窯水泥企業(yè)也不例外，在風(fēng)機、磨機、泵、計量等諸多系統(tǒng)得到應(yīng)用 2.2變頻器工作原理 目前，通用型變頻器絕大多數(shù)是交—直—交型變頻器，通常尤以電壓器變頻器為通用，它是變頻器的核心電路，由整流回路（交—直交換），直流濾波電路（能耗電路）及逆變電路（直—交變換）組成，當(dāng)然還包括有限流電路、制動電路、控制電路等組成部分。 1)整流電路 通用變頻器的整流電路是由三相橋式整流橋組成。它的功能是將工頻電源進(jìn)行整流，經(jīng)中間直流環(huán)節(jié)平波后為逆變電路和控制電路提供所需的直流電源。三相交流電源一般需經(jīng)過吸收電容和壓敏電阻網(wǎng)絡(luò)引入整流橋的輸入端。網(wǎng)絡(luò)的作用，是吸收交流電網(wǎng)的高頻諧波信號和浪涌過電壓，從而避免由此而損壞變頻器。當(dāng)電源電壓為三相380V時，整流器件的最大反向電壓一般為1200—1600V，最大整流電流為變頻器額定電流的兩倍。 2）濾波電路 變頻器的負(fù)載屬感性負(fù)載的異步電動機，無論異步電動機處于電動或發(fā)電狀態(tài)，在直流濾波電路和異步電動機之間，總會有無功功率的交換，這種無功能量要靠直流中間電路的儲能元件來緩沖。同時，三相整流橋輸出的電壓和電流屬直流脈沖電壓和電流。為了減小直流電壓和電流的波動，直流濾波電路起到對整流電路的輸出進(jìn)行濾波的作用。 通用變頻器直流濾波電路的大容量鋁電解電容，通常是由若干個電容器串聯(lián)和并聯(lián)構(gòu)成電容器組，以得到所需的耐壓值和容量。另外，因為電解電容器容量有較大的離散性，這將使它們瞬時的電壓不相等。因此，電容器要各并聯(lián)一個阻值相等的均壓電阻，消除離散性的影響，因而電容的壽命則會嚴(yán)重制約變頻器的使用壽命。 3）逆變電路 逆變電路的作用是在控制電路的作用下，將直流電路輸出的直流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，所以逆變電路是變頻器的核心電路之一，起著非常重要的作用。 最常見的逆變電路結(jié)構(gòu)形式是利用六個功率開關(guān)器件（GTR、IGBT、GTO等）組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可以得到一定范圍內(nèi)任意頻率的三相交流輸出。 通常的中小容量的變頻器主回路器件一般采用集成模塊或智能模塊。智能模塊的內(nèi)部高度集成了整流模塊、逆變模塊、各種傳感器、保護(hù)電路及驅(qū)動電路。如三菱公司生產(chǎn)的IPMPM50RSA120，富士公司生產(chǎn)的7MBP50RA060，西門子公司生產(chǎn)的BSM50GD120等，內(nèi)部集成了整流模塊、功率因數(shù)校正電路、IGBT逆變模塊及各種檢測保護(hù)功能。模塊的典型開關(guān)頻率為20KHz，保護(hù)功能為欠電壓、過電壓和過熱故障時輸出故障信號燈。 逆變電路中都設(shè)置有續(xù)流電路。續(xù)流電路的功能是當(dāng)頻率下降時，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速也隨之下降。為異步電動機的再生電能反饋至直流電路提供通道。在逆變過程中，寄生電感釋放能量提供通道。另外，當(dāng)位于同一橋臂上的兩個開關(guān)，同時處于開通狀態(tài)時將會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，并燒毀換流器件。所以在實際的通用變頻器中還設(shè)有緩沖電路等各種相應(yīng)的輔助電路，以保證電路的正常工作和在發(fā)生意外情況時，對換流器件進(jìn)行保護(hù)。 2.3 ACS510-01系列變頻器概述 ACS510 傳動應(yīng)用于廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，適用各類型負(fù)載。 ACS510還針對風(fēng)機、水泵應(yīng)用做了特別的優(yōu)化，典型的應(yīng)用包括恒壓供水，冷卻風(fēng)機，地鐵和隧道通風(fēng)機等等。 　　2.3.1特點 　　完美匹配風(fēng)機水泵 　　高級控制盤 　　用于降低諧波的專利技術(shù)：變感式電抗器 　　循環(huán)軟起 　　用戶自定義U/F曲線 　　超越模式 　 內(nèi)置RFI濾波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置，適用于第一和第二環(huán)境 圖2 ABB變頻器 型號說明 型號代碼一欄清楚地表明了變頻器的功率容量和外形尺寸。對應(yīng)你選中的類型代碼，外形尺寸可以用來確定變頻器尺寸。 電壓 ACS510 -01提供的電壓范圍： 380 - 480 V 結(jié)構(gòu) 類型代碼中“01”代表變頻器的安裝方式及功率范圍。 圖3 ABB變頻器型號說明 2.3.2綜合技術(shù)特性 1、輸出頻率范圍：0.00～600.00Hz。 2、速度控制方式：V/F控制。 3、指令通道方式：操作面板、端子控制、遠(yuǎn)程通訊控制。 4、頻率給定方式：數(shù)字鍵盤給定、模擬量給定（電流、電壓信號）、高速脈沖給定、遠(yuǎn)程通訊給定、多段速給定、PLC給定、PID閉環(huán)給定等，可以多種頻率組合和切換。 5、起動轉(zhuǎn)矩大：1Hz/150%。 6、載波頻率范圍：1.0K～15.0KHz。 7、速度控制精度：5%最高速度。 8、自動電壓調(diào)整（AVR）：當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時，能自動保持輸出電壓恒定。 9、自動限流：能限制電機電流的最大值，從而可靠地保護(hù)變頻器和電機。 10、擺頻控制：多種三角波頻率曲線，滿足紡織行業(yè)的個性化需求。 11、多功能鍵盤：提供三種快捷調(diào)試模式，滿足用戶的多種應(yīng)用要求。 12、所有的輸入、輸出端子皆為可編程的，方便用戶的使用。 13、高速脈沖輸入輸出功能：可實現(xiàn)定長控制和脈沖計數(shù)。 第三章 西門子PLC的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理 3.1 PLC技術(shù)的概述 可編程程序控制器（programmable controller），因為早期主要應(yīng)用于開關(guān)量的控制，因此也稱為PLC（programmable logic controller），即是可編程邏輯控制器?，F(xiàn)代的可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，高度集成的新型工業(yè)控制裝置，是計算機技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品。 3.2 PLC基本組成 PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與一般的微機系統(tǒng)基本相同。 按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式兩類。 整體式PLC是將中央處理單元、存儲器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機。另外還有獨立的I/O擴展單元與主機配合使用。主機中，CPU是 PLC的核心，I/O單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機等外部設(shè)備的連接。 組合式PLC將 CPU單元、輸入單元、輸出單元、智能I/O單元、通信單元等分別做成相應(yīng)的電路板或模塊，各模塊插在底板上，模塊之間通過底板上的總線相互聯(lián)系。裝有CPU單元的底板稱為CPU底板，其它稱為擴展底板。CPU底板與擴展底板之間通過電纜連接，距離一般不超過10m。無論哪種結(jié)構(gòu)類型的 PLC，都可以根據(jù)需要進(jìn)行配置與組合。 3.3 西門子S7-200系列PLC概述 德國西門子（SIEMENS）公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有應(yīng)用。西門子（SIEMENS）公司的PLC產(chǎn)品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-200, S7-300，S7-400，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，HMI人機界面，工業(yè)軟件等。 西門子S7系列PLC體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化，具有網(wǎng)絡(luò)通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產(chǎn)品可分為微型PLC（如S7-200），小規(guī)模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。 1．SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。S7-200 PLC的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 S7-200PLC可提供4個不同的基本型號與8種CPU可供選擇使用。 圖4 西門子PLC 2．SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模塊化小型PLC系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。各種單獨的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合構(gòu)成不同要求的系統(tǒng)。與S7-200 PLC比較，S7-300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（0.6~0.1μs）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運算；一個帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面（HMI）從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300按用戶指定的刷新速度傳送這些數(shù)據(jù)。S7-300操作系統(tǒng)自動地處理數(shù)據(jù)的傳送；CPU的智能化的診斷系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件（例如：超時，模塊更換，等等）；多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改；S7-300 PLC設(shè)有操作方式選擇開關(guān)，操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式，這樣就可防止非法刪除或改寫用戶程序。具備強大的通信功能，S7-300 PLC可通過編程軟件Step 7的用戶界面提供通信組態(tài)功能，這使得組態(tài)非常容易、簡單。S7-300 PLC具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接AS-I總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點到點的通信系統(tǒng)；多點接口（MPI）集成在CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7等自動化控制系統(tǒng)。 3． SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器。 S7-400 PLC采用模塊化無風(fēng)扇的設(shè)計，可靠耐用，同時可以選用多種級別（功能逐步升級）的CPU，并配有多種通用功能的模板，這使用戶能根據(jù)需要組合成不同的專用系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模擴大或升級時，只要適當(dāng)?shù)卦黾右恍┠０?，便能使系統(tǒng)升級和充分滿足需要。 4． 工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò) 通訊網(wǎng)絡(luò)是自動化系統(tǒng)的支柱，西門子的全集成自動化網(wǎng)絡(luò)平臺提供了從控制級一直到現(xiàn)場級的一致性通訊，“SIMATIC NET”是全部網(wǎng)絡(luò)系列產(chǎn)品的總稱，他們能在工廠的不同部門，在不同的自動化站以及通過不同的級交換數(shù)據(jù)，有標(biāo)準(zhǔn)的接口并且相互之間完全兼容。 5． 人機界面（HMI）硬件 HMI硬件配合PLC使用，為用戶提供數(shù)據(jù)、圖形和事件顯示，主要有文本操作面板TD200（可顯示中文），OP3，OP7，OP17等；圖形/文本操作面板OP27，OP37等，觸摸屏操作面板TP7，TP27/37，TP170A/B等；SIMATIC面板型PC670等。個人計算機（PC）也可以作為HMI硬件使用。HMI硬件需要經(jīng)過軟件（如ProTool）組態(tài)才能配合PLC使用。 6． SIMATIC S7工業(yè)軟件 西門子的工業(yè)軟件分為三個不同的種類： （1）編程和工程工具 編程和工程工具包括所有基于PLC或PC用于編程、組態(tài)、模擬和維護(hù)等控制所需的工具。STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包SIMATIC S7是用于S7-300/400，C7 PLC和SIMATIC WinAC基于PC控制產(chǎn)品的組態(tài)編程和維護(hù)的項目管理工具，STEP 7-Micro/WIN是在Windows平臺上運行的S7-200系列PLC的編程、在線仿真軟件。 （2）基于PC的控制軟件 基于PC的控制系統(tǒng)WinAC允許使用個人計算機作為可編程序控制器（PLC）運行用戶的程序，運行在安裝了Windows NT4.0操作系統(tǒng)的SIMATIC工控機或其它任何商用機。WinAC提供兩種PLC，一種是軟件PLC，在用戶計算機上作為視窗任務(wù)運行。另一種是插槽PLC（在用戶計算機上安裝一個PC卡），它具有硬件PLC的全部功能。WinAC與SIMATIC S7系列處理器完全兼容，其編程采用統(tǒng)一的SIMATIC編程工具（如STEP 7），編制的程序既可運行在WinAC上，也可運行在S7系列處理器上。 （3）人機界面軟件 人機界面軟件為用戶自動化項目提供人機界面（HMI）或SCADA系統(tǒng)，支持大范圍的平臺。人機界面軟件有兩種，一種是應(yīng)用于機器級的ProTool，另一種是應(yīng)用于監(jiān)控級的WinCC。 ProTool適用于大部分HMI硬件的組態(tài)，從操作員面板到標(biāo)準(zhǔn)PC都可以用集成在STEP 7中的ProTool有效地完成組態(tài)。ProTool/lite用于文本顯示的組態(tài)，如：OP3，OP7，OP17，TD17等。ProTool/Pro用于組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)PC和所有西門子HMI產(chǎn)品，ProTool/Pro不只是組態(tài)軟件，其運行版也用于Windows平臺的監(jiān)控系統(tǒng)。 WinCC是一個真正開放的，面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集的SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition）軟件，可在任何標(biāo)準(zhǔn)PC上運行。WinCC操作簡單，系統(tǒng)可靠性高，與STEP 7功能集成，可直接進(jìn)入PLC的硬件故障系統(tǒng)，節(jié)省項目開發(fā)時間。它的設(shè)計適合于廣泛的應(yīng)用，可以連接到已存在的自動化環(huán)境中，有大量的通信接口和全面的過程信息和數(shù)據(jù)處理能力，其最新的WinCC5.0支持在辦公室通過IE瀏覽器動態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)過程。 S7-200作為西門子SIMATIC PLC家族中的最小成員，以其超小體積，靈活的配置，強大的內(nèi)置功能，多年來一直廣泛服務(wù)于國內(nèi)的各行各業(yè)。 SIMATIC S7-200系列PLC適用于各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機床、機械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)?！? 圖5 S7-200 CPU 第四章 PLC變頻調(diào)速小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)功能 4.1 恒壓供水系統(tǒng)的實現(xiàn)原理及功能簡介 小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一臺ABB變頻器拖動兩臺7.5KW功率電動機，可在變頻和工頻兩種方式下運行工作。 (1)啟動方式:為避免啟動時的沖擊電流，電機采用變頻啟動方式，從變頻器的輸出端得到逐漸的上升的頻率和電壓。 (2)變頻調(diào)速:根據(jù)供水管網(wǎng)中流量、壓力的變化自動控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)電動機和水泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)恒壓供水。如設(shè)備的輸出電壓和頻率上升到工頻仍不能滿足供水要求時，PLC發(fā)出指令讓1號泵自動切換到工頻電源運行，待1號水泵退出變頻運行，2號泵自動投入變頻運行。 (3)水泵切換:根據(jù)恒壓的需要，采取無主次切換，即“先開先?！钡脑瓌t接入和退出。在PLC的程序中，通過設(shè)置變頻泵的工作號和工頻泵的臺數(shù)，由給定頻率是否達(dá)到上限頻率或下限頻率來判斷增泵或減泵。 (4)故障處理:能對源水位過低，變頻器故障等報警。　 本系統(tǒng)采用兩套電機水泵對水網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水 ,每臺電機均可工作在變頻方式或工頻方式 ,但變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動一臺電機。變頻調(diào)速器根據(jù)實際水壓的變化 ,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速 ,通過調(diào)節(jié)流量達(dá)到恒定水壓的目的。另外 ,可編程序控制器根據(jù)當(dāng)前水泵的供水情況對其進(jìn)行合理切換 ,實現(xiàn)最佳匹配。本 PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要可以完成的功能有:手動和自動切換功能 ,對電機水泵實現(xiàn)軟啟動，故障報警，報警消鈴功能 。 4.2 PID控制的實現(xiàn)方法 窗體頂端 在供水過程中 ,水泵轉(zhuǎn)速的變化可以調(diào)節(jié)水量 ,但是轉(zhuǎn)速降低 ,流量減小 ,壓力也相應(yīng)降低 ,為了保證流量并維持一定的供水壓力 ,最大限度地節(jié)約電能 ,我們必須建立閉環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在水泵的出口側(cè) ,檢測壓力變化 ,一旦偏離設(shè)定壓力 ,系統(tǒng)就自動響應(yīng) ,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,維持相應(yīng)壓力下的供水量。該閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng) ,主要由變頻器、可編程序控制器及壓力傳感器組成 。為了使系統(tǒng)更加簡明，本文采用變頻器內(nèi)置PID。其調(diào)節(jié)原理圖如下: 窗體底端 圖6 PLD調(diào)節(jié)原理圖 在供水系統(tǒng)中使用水泵的目的，是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供給適當(dāng)水壓的水。因此，不論供水量多少，必須控制水泵的壓力恒定。使用變頻調(diào)速的水泵，其壓力控制常采用出口水壓一定控制。壓力傳感器裝在水泵附近的主出水管內(nèi)，將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號作為反饋信號。變頻器內(nèi)置 PID調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算，其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使出口壓力保持一定。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化，通過變頻器實現(xiàn)自動跟蹤來控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力，以達(dá)到高效供水及高效節(jié)能目的。 4.3主要器件的選型 （1）供水泵的選擇 生活供水的水泵電動機選LG系列型號為65LG36的高層建筑多級給水泵，每臺自帶交流電動機7.5KW，380V供電。LG系列泵為立式安裝，電機軸與泵軸通過爪型連軸器聯(lián)接，具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪音低、占地面積小等優(yōu)點。 65LG36型產(chǎn)品特點為： 1）水力模型先進(jìn)：效率高，性能范圍廣； 2）更少的運行、維修費用：采用優(yōu)質(zhì)機械密封，耐磨損、無泄漏、使用壽命長，故障率低，具有更少的運行維修費用； 3）獨特的部件、降低噪音：獨特的水力部件設(shè)計，良好的過流性能，最大地減少流動噪音； 4）立式結(jié)構(gòu)，占地面積小。 其技術(shù)參數(shù)為： 流量：3.0-150m3/h；揚程：20-200m； 功率：0.75-132kw；轉(zhuǎn)速：2900r/min； 口徑：φ25-φ150；溫度范圍：0-180℃； （2）傳感器選型 恒壓供水壓力傳感器，通用壓力變送器，恒壓供水壓力變送器，PTP501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。其技術(shù)參數(shù)如下： 量程：0.1～150（Mpa） 綜合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS 輸出信號：4～20mA（二線制）、0～5V、1～5V、0～10V（三線制） 供電電壓：24DCV（9～36DCV） 介質(zhì)溫度：—20～85℃ 環(huán)境溫度：常溫（—20～85℃） （3）交流接觸器的選擇 該控制系統(tǒng)中的接觸器均選交流接觸器。電機所選用的接觸器主觸頭在主電路中，所以主觸頭通斷負(fù)載額定電壓為被控制線路額定電壓AC380V，線圈在控制回路中圈電壓取AC220V。 主觸頭額定電流經(jīng)驗公式ICN＝PN103/KUN；通常KUN取1～1.4；ICN為主觸頭額定電流（A）；PN為被控制器件額定功率（KW）；通過計算選擇均選為CJ10－40型接觸器。 （4）中間繼電器的選擇 中間繼電器在繼電接觸器系列電控系統(tǒng)中主要具有控制電路傳遞與轉(zhuǎn)換信號，擴大控制路數(shù)，將小功率控制信號轉(zhuǎn)換為大容量的觸頭控制，擴充交流接觸器及其它電器控制作用的功能。 變頻器故障輸出電路中KA選用JZ7－80，其參數(shù)為吸引線圈額定電壓DC24V，額定電流1.6A。 （5）熱繼電器的選擇 本系統(tǒng)中熱繼電器1～4FR1，F(xiàn)R2是保護(hù)水泵電機過載和斷相保護(hù)的元件。一般情況下，可按電動機額定電流選取若繼電器，熱繼電器的整定值為電動機額定電流的0.95～1.05倍，則生活水泵電機額定電流為2 0A，消防泵電機額定電流為21A。 取系數(shù)為1，則熱繼電器的整定值分別為20A，21A。經(jīng)查閱資料，選JR16－3/20。 4.4　控制系統(tǒng)方案設(shè)計 4.4.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 該系統(tǒng)主要由西門子S7-200系列PLC控制器、ABB ACS510-01變頻器、壓力變送器、浮球水位計（開關(guān)）、低壓電氣設(shè)備及水泵組成。、 PLC作為控制單元 ,根據(jù)現(xiàn)場信號和系統(tǒng)工作狀態(tài)控制兩臺水泵的起動和停止 ,控制變頻器的起動和停止 ,變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率 ,改變水泵轉(zhuǎn)速 ,控制管網(wǎng)壓力 ,并將變頻器工作狀態(tài)輸出到PLC。其基本控制框圖如下： 圖7 系統(tǒng)基本控制框圖 4.4.2 主控電路設(shè)計 電控系統(tǒng)的主電路2臺電機分別為M1、M2。接觸器KM1、KM3、分別控制電機M1、M2工頻運行，接觸器KM2、KM4、控制電機M1、M2變頻運行。FH1、FH2分別為2臺水泵電機過載保護(hù)的熱繼電器，QF10、QF11、QF12分別為變頻器和2臺水泵電機主電路的斷路器，，ABB ACS510-01通用變頻器。 圖8 電控系統(tǒng)主電路圖 4.4.3 PLC硬件設(shè)計 該系統(tǒng)采用S7-200 CPU224,12輸入6繼電器輸出一臺，即可滿足用戶供水控制要求。 1、輸入輸出點數(shù)的確定 在該控制系統(tǒng)中 ,水泵 M1 和M2 可變頻工作也可工頻工作。由接觸器進(jìn)行切換 ,需占用PLC的四個輸出信號控制。變頻器的運行與關(guān)斷 ,由可編程序控制器的一個輸出信號控制。故障報警電鈴占用一個輸出信號，該控制系統(tǒng)共占用 PLC的六個輸出信號 。水管壓力檢測信號占用 PLC的兩個輸入點,以控制整個系統(tǒng)的全線停車;系統(tǒng)分自動和手動兩種工作方式 ,由一個選擇開關(guān)控制 ,選擇開關(guān)連接 PLC的一個輸入點 ,水池水位檢測信號占用PLC的兩個輸入點，一故障消鈴占一輸入，變頻器故障占一輸入。因此 ,該控制系統(tǒng)中共占用 PLC的12個開關(guān)量輸入信號。整個控制系統(tǒng)所需的輸入輸出點數(shù)量共為17個點。 2、輸入輸出點 表1輸入輸出點 手動SA I0.0 SA 自動SA I0.1 SA 變頻輸出 I0.2 頻率上限 I0.3 一號手動啟動 I0.4 SB2 一號手動停止 I0.5 SB1 二號手動啟動 I0.6 SB4 二號手動停止 I0.7 SB3 報警復(fù)位 I1.0 SB0 一號過載 I1.1 KA3 二號過載 I1.2 KA4 源水位過低 I1.3 KA1 一號變頻運行 Q0.0 KA12 一號工頻運行 Q0.1 KA11 二號變頻運行 Q0.2 KA13 二號工頻運行 Q0.3 KA14 報警電鈴 Q0.4 HL8 自動運行 Q0.5 KA2 3. 系統(tǒng)接線圖： 圖9 S7-200外圍接線圖 圖10 順序流程圖 4.4.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 該控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動狀態(tài)和自動狀態(tài)兩種工作方式。選擇手動工作狀態(tài)時 ,可以分別通過按鈕控制兩臺泵在工頻下運行與停止 ,主要用于水泵定期檢修臨時供水。選擇自動工作狀態(tài)時 ,完全由 PLC軟件控制運行。根據(jù)水管網(wǎng)中用水量和壓力變化適時調(diào)整工頻運行的水泵和變頻運行的水泵頻率。 圖11 控制電路 自動工作時 ,1) PLC 首先利用變頻器軟啟動一臺水泵 ,實現(xiàn)單泵變頻供水,此時 ,安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反饋進(jìn)變頻器 ,與預(yù)先通過變頻器面板設(shè)定的給定壓力進(jìn)行比較 ,通過變頻器內(nèi)部 PID 運算 ,調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。2)在用水高峰期 ,水流量較大 ,變頻器輸出頻率接近工頻 ,而管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到壓力設(shè)定 ,則 PLC將當(dāng)前工作的水泵由變頻切換到工頻 ,PLC將變頻器切換到另一臺泵 ,由變頻器軟啟動該泵 ,實現(xiàn)一臺工頻、一臺變頻雙泵供水。3）當(dāng)變頻器故障則系統(tǒng)報警并停止運行，故障復(fù)位后系統(tǒng)自動投入運行。4）當(dāng)水池水位低于水位設(shè)定下限時，為防止無水電機空轉(zhuǎn)系統(tǒng)報警停止輸出，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定上限時系統(tǒng)自動投入運行。 五 結(jié)束語 自行設(shè)計的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)實現(xiàn)簡單,成本低廉，投入運行以來，工作可靠，具有較好的控制效果。主要體現(xiàn)在: （1）系統(tǒng)供水壓力平穩(wěn)，壓力變化在 0.01mpa 以內(nèi); （2）高效節(jié)能，系統(tǒng)有plc和變頻器管理，可有效解決不同用水量時電機輕載或空載時節(jié)能問題; （3）整個系統(tǒng)自動化程度高，不需人員職守，故障時可以自動保護(hù)并發(fā)出報警信號。 （4）自動水循環(huán)，實現(xiàn)了有效的節(jié)水。 另外，系統(tǒng)采用plc控制，容易隨時修改程序，以改變工作狀況，滿足不同控制要求，有較大的靈活性和通用性，有一定的推廣應(yīng)用價值。 六、致謝 本研究及畢業(yè)論文是在我的指導(dǎo)老師胡恒錚老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，胡老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向胡老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學(xué)生活的我的舍友們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們! 七、參考文獻(xiàn) [1]變頻器世界。2006年4月 [2]廖常出.PLC編程及應(yīng)用，機械工業(yè)出版社，2002 [3]一拖二恒壓供水系統(tǒng)中的PLC與變頻器，變頻器網(wǎng)，2008 [4]基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)控制的研究，2008 [5]秦鑫,申杰奮,PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),新鄉(xiāng)師范高等專科學(xué)校學(xué)報,2006.3 [6]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社,2003 [7]王兆義.邏輯與可編程控制系統(tǒng)，上海大學(xué)出版社，2003年3月 [8]鄒金慧.可編程控制器及其系統(tǒng)，重慶大學(xué)出版社，2002年11月 [9]張凱.可編程控制器教程，東南大學(xué)出版社，2005 [10]高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)和設(shè)計實例，人民郵電出版社，2004 [11]周萬珍.PLC分析與設(shè)計應(yīng)用,電子工業(yè)出版社，2004 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