DZ114PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)程序

DZ114PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)程序,dz114plc,控制,節(jié)制,變頻,調(diào)速,供水系統(tǒng),程序 I摘 要傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問題，本文采用 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技PLC術(shù)相結(jié)合的方法來研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設(shè)計好的系統(tǒng)每天 24 小時不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。關(guān)鍵字：恒壓供水， 控制，變頻器，PIDPLCIIABSTRACTTraditional water supply system has the shortages including occupying wide surface area、high expenses、management complex and difficult、water pollution again, and so on. In order to solve these problems, this paper combines control technology and transducer PLCtechnology to research constant pressure water supply system. Two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor. The finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce.With the research and use of this project, we can save large sum of precious water、electrical source, and decrease the produce price, reduce device management and lessen repair price. Moreover, this system also can improve the lever of produce and management, lighten the work’s strength, and increase the productivity.Key Words: constant water supply system, control transducer, PIDPLCIII目 錄第 1 章 緒論 ......................................................................................................................11.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義 [1、2、7、9] .....................................................11.2 恒壓供水的特點(diǎn) .................................................................................................11.2.1 恒壓供水方式討論 ..................................................................................11.2.2 恒壓供水的實(shí)現(xiàn) ......................................................................................21.3 現(xiàn)行高樓供水的模式 [19] ....................................................................................21.3.1 恒速泵供水 ..............................................................................................21.3.2 高位水箱供水 ..........................................................................................21.3.3 氣壓罐供水 ..............................................................................................31.4 畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù) .........................................................................................3第 2 章 變頻調(diào)速恒壓供水分析 ......................................................................................42.1 變頻恒壓供水的工藝調(diào)節(jié)過程介紹 [6].............................................................42.2 調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建 [25-29] ........................................................................................42.2.1 調(diào)速原理 ..................................................................................................42.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成 ..............................................................................52.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計算方法 [12、13] ...................................................................52.2.4 變頻恒壓供水頻率變化分析 ..................................................................72.3 節(jié)能分析 [3]..........................................................................................................82.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性 [14-18，36，37] ......................................................82.3.2 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 ....................................................................11第 3 章 恒壓供水系統(tǒng) ....................................................................................................133.1 系統(tǒng)概述 [31] ......................................................................................................133.2 控制系統(tǒng)的組成 ...............................................................................................133.2.1 供水系統(tǒng)的組成 ....................................................................................133.2.2 系統(tǒng)功能說明 ........................................................................................133.3 恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理及調(diào)速泵的調(diào)速原理 ...................................................143.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 ....................................................................143.3.2 調(diào)速泵系統(tǒng)構(gòu)成 ....................................................................................143.4 變頻器 [6]............................................................................................................143.4.1 變頻器輸入輸出接口 ............................................................................143.4.2 變頻器外圍設(shè)備的選擇及保養(yǎng) ............................................................153.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) ......................................................................16第 4 章 可編程控制器 PLC.............................................................................................174.1 PLC的定義 [20-22]..............................................................................................174.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向 ..........................................................................174.3 的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域 ..................................................................................184.3.1 可編程序控制器的特點(diǎn) ........................................................................184.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較 ........................................194.3.3 可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 ................................................................194.3.4 PLC在現(xiàn)代自動控制系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的問題 ...............................204.4 我國常用 的性能比較研究 ......................................................................204.4.1 的一般結(jié)構(gòu) ...................................................................................20IV4.4.2 PLC基本工作原理 ...............................................................................224.5 我國常用 的性能特點(diǎn) ..............................................................................234.5.1 SIMATIC S7 系列 PLC [24] .................................................................234.5.2 S7-200 系列可編程序控制器 ...............................................................234.5.3 控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容 .......................................................................244.5.4 L控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 .......................................................................244.5.5 PC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ...................................................................254.6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 ..............................................................................264.6.1 軟件設(shè)計概述 ...............................................................................264.6.2 軟件設(shè)計 ................................................................................................274.6.3 L程序設(shè)計的常用方法 ...................................................................284.6.4 程序設(shè)計步驟 ...............................................................................29第 5 章 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 .........................................................................................315.1 概述 .....................................................................................................................315.2 PC輸入輸出 /IO分配..................................................................................315.2.1 輸入口 ....................................................................................................315.2.2 輸出口 ....................................................................................................315.2.3 輔助觸點(diǎn) ..................................................................................................315.3 L控制系統(tǒng)功能介紹 ..................................................................................325.4 恒壓供水系統(tǒng) L的流程圖 ..........................................................................335.5 PC控制系統(tǒng)的可 靠性及應(yīng)用程序設(shè)計 ......................................................345.5.1 程序的優(yōu)化設(shè)計 ...........................................................................345.5.2 應(yīng)用程序的設(shè)計 ....................................................................................355.5.3 故障檢測程序的設(shè)計 ............................................................................37第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試 ............................................................................................................386.1 變頻器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定 ...................................................................................386.2 PLC的調(diào)試 ......................................................................................................38致 謝 ................................................................................................................................43附錄 PLC 程序 .................................................................................................................441第 1 章 緒論1.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義 [1、2、7、9]隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程繁瑣，而且手動控制無法對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為了保證供水，機(jī)組通常處于超壓狀態(tài)運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，曝?fù)p也十分嚴(yán)重 [7]。本文從我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計了一套基于 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。PLC1.2 恒壓供水的特點(diǎn)恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。1.2.1 恒壓供水方式討論水泵多配用交流異步電機(jī)拖動，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：（1-1）????0611fnSSp??式中：：異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速0n：異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速：電動機(jī)的磁極對數(shù)p：電源頻率，電動機(jī)定子電壓頻率f：轉(zhuǎn)速差：s（1-2）%10???ns因此改變，電動機(jī)極對數(shù) 、改變轉(zhuǎn)速差 及改變電源頻率 都可以改變轉(zhuǎn)速。pf①變級對數(shù)調(diào)速在電源頻率—定的情況下，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動機(jī)極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過改變定子繞阻的接線方法來改變極對數(shù)以電動機(jī)一相繞組為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對數(shù) 。如果使 等，就可以得到 等不同的p3,21? min/10,530rn?同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。②變頻調(diào)速變頻凋速是將電網(wǎng)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2動機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動機(jī)定子頻率 可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)f速 ，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ，而轉(zhuǎn)差率 可保持不變或很小。但對電動機(jī)來0nns說，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時，磁通減少，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時會使電機(jī)堵轉(zhuǎn)：頻率增減少，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，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的同時，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。? 交--直--交變頻器它是由三個環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?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，一般是利用無電源電容或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)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(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡稱)變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM 交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前PWM以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他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。? 交--交變頻器它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過交頻電路同時調(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，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。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。變頻技術(shù)對水泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。1.2.2 恒壓供水的實(shí)現(xiàn)恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。而變頻調(diào)速是指靠改變電源的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 改變水泵的f 0n轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。1.3 現(xiàn)行高樓供水的模式 [19]1.3.1 恒速泵供水恒速運(yùn)行時，一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)，這種方式的缺點(diǎn)是效率低、能耗大。也就是依靠閥門來控制供水量。1.3.2 高位水箱供水3采用電流及電壓的相位大小等變化特性對高位水箱泵組進(jìn)行控制。供水系統(tǒng)利用高位水箱及地下水池的水位變化來自動啟閉水泵，以向各水箱供水。改供水方式可控性差。1.3.3 氣壓罐供水氣壓供水設(shè)備是利用壓縮空氣的漲力將水送往用水點(diǎn)的通用供水設(shè)備。氣壓供水整套設(shè)備高壓密封，沒有外部污染，內(nèi)部不長青苔。并且供水壓力可以根據(jù)需要很方便地在控制器上進(jìn)行調(diào)整，不象高位水箱當(dāng)放置的高度確定后，水壓就已確定，無法調(diào)整。但是氣壓供水能耗大，且控制水壓能力有限，不如水泵供水的壓力控制。1.4 畢業(yè)設(shè)計的主要任務(wù)隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水已廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)及生活、消防等供水系統(tǒng)。S7-200 控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動完成泵組軟PLC啟動及無沖擊切換，自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變以往“先啟后?！狈绞剑顾畨浩椒€(wěn)過渡。采用硬件/軟件備用及時鐘控制功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時系統(tǒng)仍可運(yùn)行，保證不間斷供水。4第 2 章 變頻調(diào)速恒壓供水分析2.1 變頻恒壓供水的工藝調(diào)節(jié)過程介紹 [6]泵組的切換開始時，若硬件、軟件皆無備用（兩者同時有效時硬件優(yōu)先） ，1 ＃泵變頻啟動，轉(zhuǎn)速從 開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá) ，而此時水壓還0 Hz50在下限值，延時一段時間（由 內(nèi)部時間繼電器控制，目的是避免由于干擾而PLC引起誤動作）后，1 ＃ 泵切換至工頻運(yùn)行，同時變頻器頻率由 滑停至 ，2 ＃z0泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則依次啟動 3＃ 、4 ＃ 泵；若開始時 1＃ 泵備用，則直接啟 2＃ 變頻，轉(zhuǎn)速從０開始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá) ，而此時水壓還z在下限值，延時一段時間后，2 ＃ 泵切換至工頻運(yùn)行，同時變頻器頻率由 滑停5至 ，3 ＃ 泵變頻啟動，如水壓仍不滿足，則啟動 4＃ 泵；若 1＃ 、2 ＃ 泵都備用，Hz0則直接啟 3＃ 變頻，具體泵的切換過程與上述類同。同樣，如水壓在上限值，若３臺泵（假設(shè)為 1＃ 、2 ＃ 和 3＃ ）運(yùn)行時，3 ＃ 泵變頻運(yùn)行降到 ，此時水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使 1＃ 泵停止，3 ＃ 泵z變頻器頻率從 迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時一段時間后使 2＃泵停止。這樣的切換過程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時在實(shí)際管網(wǎng)對水壓波動做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡。以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而我們這次的設(shè)計的系統(tǒng)中，要求直接停工頻泵，同時由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實(shí)現(xiàn)泵組的無沖擊切換，使水壓過渡平穩(wěn)，有效的防止水壓的大范圍波動及水壓太低時的短時缺水現(xiàn)象，提高供水品質(zhì)。2.2 調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建 [25-29]2.2.1 調(diào)速原理異步電動機(jī)定子三相對稱繞組空間相隔 120°，當(dāng)通以三相對稱電流時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速為：（2-1）160fnp?異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為：（2-2）1()s?（2-3）160fsnp?式中：5：定子繞組電源頻率1f：磁場極對數(shù)p：轉(zhuǎn)差率s：同步轉(zhuǎn)速( )1nmin/r：異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速( )2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖 2-1 所示，它主要是由 （包括一塊模PLCS207?擬量擴(kuò)展模塊 ） 、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及若235EM干臺水泵等組成。通過控制柜面板上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)和指示燈來控制系統(tǒng)的運(yùn)行。圖 2-1 供水系統(tǒng)組成2.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計算方法 [12、13]算法：PID內(nèi)設(shè)定了一個 算法，所有泵的自動切換，變頻器的工作全部依賴這LCPID個 。原理I算法控制原則基于以下公式：（2-4）dteKCMedtKCtMintal??????0)(輸出 = 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng) 式中：：作為時間函數(shù)的回路輸出()Mt： 回路增益DT： 回路錯誤（設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差別）E：回路輸出的初始值intal為了在數(shù)字計算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯誤值的定期樣6本，并隨后計算輸出。數(shù)字計算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)：（2-5）11()nnitalnMKCeIMKDe???????輸出 = 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)式中：：采樣時間 的回路輸出計算值Mnn：回路增益KC： 采樣時間 的回路錯誤值e： 回路錯誤的前一個數(shù)值（在采樣時間 ）1n? 1?n： 積分項(xiàng)的比例常數(shù)I： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)ital： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)D在該公式中，積分項(xiàng)被顯示為全部錯誤項(xiàng)的函數(shù)，從第一個樣本至當(dāng)前樣本。微分項(xiàng)是當(dāng)前樣本和前一個樣本的函數(shù)，而比例項(xiàng)僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計算機(jī)中，既不可能也沒有必要存儲所有的錯誤項(xiàng)樣本。因?yàn)閺牡谝粋€樣本開始，每次對錯誤采樣時數(shù)字計算機(jī)都必須計算輸出值，因此僅需存儲前一個錯誤值和前一個積分項(xiàng)數(shù)值。由于數(shù)字計算機(jī)計算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時間對公式進(jìn)行簡化。簡化后的公式為：（2-6）1()nnMKCeIXKDe?????輸出=比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)式中：： 采樣時間 的回路輸出計算值Mnn： 回路增益KC： 采樣時間 的回路錯誤值e： 回路錯誤的前一個數(shù)值（采樣時間 ）1n? 1?n： 積分項(xiàng)的比例常數(shù)I： 積分項(xiàng)的前一個數(shù)值（采樣時間 ）X： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)D計算回路輸出值時， 使用對上述簡化公式的修改格式。修改后的公式為：CPU（2-7）nnMPID??輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)式中：： 采樣時間 的回路輸出計算值Mnn： 采樣時間 的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值P： 采樣時間 的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值I： 采樣時間 的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值nD比例項(xiàng)比例項(xiàng) 是增益 和錯誤（ ）的乘積，其中增益控制輸出計算的敏感度，KCe錯誤是在某一特定采樣時間設(shè)定值（ ）和進(jìn)程變量（ ）之間的差。 采SPPVCPU用的計算比例項(xiàng)的公式為：（2-8）()Mcn???式中：： 采樣時間 的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值MPn7： 回路增益Kc： 采樣時間 的設(shè)定值數(shù)值SPnn： 采樣時間 的進(jìn)程變量數(shù)值V積分項(xiàng)積分項(xiàng) MI 在時間上與錯誤（ ）和成比例。 采用的積分項(xiàng)公式為：eCPU（2-9）()SnITMIKcnVMX????式中：： 采樣時間 的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值nMIn： 回路增益Kc： 回路采樣時間ST： 積分時間（亦稱為積分時間或復(fù)原）I： 采樣時間 的設(shè)定值數(shù)值P： 采樣時間 的進(jìn)程變量數(shù)值Vnn： 采樣時間 的積分項(xiàng)數(shù)值（亦稱為積分和或偏差）X1?積分和或偏差（ ）是積分項(xiàng)所有先前數(shù)值的運(yùn)行和。每次 計算后，根MX nMI據(jù) 的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調(diào)節(jié)或截?。ㄔ斍檎垍㈤?變量和范圍"一節(jié)）nI。偏差的初始值通常被設(shè)為第一次回路輸出計算之前的輸出值。其他幾個常數(shù)也是積分項(xiàng)的一部分，例如增益 、采樣時間 （即 回路重新計算輸出值的循環(huán)KcSTPID時間）以及積分時間或復(fù)原 （即用于控制積分項(xiàng)對輸出計算影響的時間） 。IT微分項(xiàng)微分項(xiàng) 與錯誤變化成比例。計算微分項(xiàng)的公式為：D（2-10）()()DSMcnVSn???為了避免步驟改變或由于對設(shè)定值變化求導(dǎo)帶來的輸出變化，對該公式進(jìn)行修改，假定設(shè)定值為常數(shù) 。如下所示，會導(dǎo)致計算進(jìn)程變量的變化，而不1nSP?計算錯誤的變化：（2-11）1()Dn nSTKcPnSP?????或者（2-12）1()nnSMV?： 采樣時間 的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值nMDn： 回路增益Kc： 回路采樣時間ST： 回路微分階段（亦稱為微分時間或速率）： 采樣時間 的設(shè)定值數(shù)值P： 采樣時間 的設(shè)定值數(shù)值1n?1?n： 采樣時間 的進(jìn)程變量數(shù)值V： 采樣時間 的進(jìn)程變量數(shù)值必須保存進(jìn)程變量，而不必保存錯誤，用于下一次微分項(xiàng)計算。第一次采樣時，數(shù)值 被初始化，等于 。1nP?nPV變頻恒壓供水頻率變化分析8交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速 與電源頻率 的關(guān)系如下：nf（2-13）60(1)fnsp??式中： 是級對數(shù)， 是轉(zhuǎn)差率 ps因此不改變電動機(jī)的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。fn改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。圖 2-2 變頻調(diào)速的水泵特性曲線2.3 節(jié)能分析 [3]2.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性 [14-18，36，37]水泵工作參數(shù)共有六個，即:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速及允許吸上真空高度或氣穴余量。在六個參數(shù)中，流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速是基本參數(shù)，只要其中一個發(fā)生變化，其余參數(shù)都會按照一定的規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的變化。1.流量 Q水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量兩種。2.揚(yáng)程 H相 似 工 況 拋 物 線 管 路 性 能 曲 線水 泵 性 能 曲 線η c η AQcQAABC9水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，可以由水泵進(jìn)水口、出水口斷面上的單位總能量 ， 的差值表示，其單位以 計。水泵揚(yáng)程1E2 m可用下式表示為（2-14）???21212121VHZHg????式中：Z 1, Z2——分別為真空表測壓點(diǎn)、壓力表零位點(diǎn)至基準(zhǔn)面的垂直距離，低于基準(zhǔn)面時取負(fù)值( )。m式中：——分別為真空表、壓力表讀數(shù) ( )。12,Hm為水泵進(jìn)，出水口斷面的流速水頭( )。Vg?3.功率水泵功率有以下兩種，有效功率 和軸功率 。MPN有效功率 為泵內(nèi)液體實(shí)際所獲得的凈功率( )，可以根據(jù)流量和揚(yáng)程來計算。MPKW（2-15）10MQHP??式中：為液體的比重（ ）? 3/mkgf為液體的流量（ ）Qs為水泵的揚(yáng)程（ ） 。H軸功率 是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時所需的外來功率，即由動力機(jī)傳NP給水泵軸上的功率( )。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，KW才成為有效功功率。（2-16）10%10MNPQH??????式中：： 水泵效率（%）?4.效率有效功率與軸功率的比值為效率 。（2-17）10MNP???水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。它由泵內(nèi)水力效率、機(jī)械效率及容積效率等三個局部效率組成。(1)機(jī)械損失與機(jī)械效率機(jī)械損失包括軸與軸承的磨擦損失、軸與填料函的磨擦損失以及葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時引起的損失即輪盤損失。水泵克服了機(jī)械損失之后，把剩下的功率傳給所抽的水，這部分功率叫做水功率 。WP（2-18）??thHqQ???式中：10： 流過葉輪的全部流量qQ?： 漏損量： 水泵理論揚(yáng)程thH機(jī)械損失的大小用機(jī)械效率表示（2-19）10%WjNP???(2)容積損失與容積效率在流過葉輪的全部流量中，除了出水量 外，另有一部分流量，經(jīng)過減漏環(huán)的Q間隙或軸流泵葉輪外緣與泵殼的間隙流回進(jìn)水側(cè)，以及經(jīng)過填料函滲出泵外，流量帶走的功率為（2-20）LthPqH??剩余的功率為：（2-21）SW?容積損失 可用容積效率 ，表示LPj?（2-22）10%rsP??各式帶入上式后的：（2-23）()rthQHq??(2)水力損失與水力效率水泵吸入室、葉槽、壓出室中的磨擦阻力、旋渦及撞擊等引起的水力損失，可用水力效率表示（2-24）10%MsWthtPQH?????用 乘以上式右端可的：WSP（2-25）SMjrsNWnP?由上式可見水泵效率，是三個局部效率的乘積。要提高水泵效率，必須盡量減少機(jī)械磨擦和漏水量，并力求改善過流部分的設(shè)計和提高制造、裝配質(zhì)量。5.轉(zhuǎn)速 n轉(zhuǎn)速 是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。水泵銘牌上所標(biāo)明的額定轉(zhuǎn)速是設(shè)計工況時的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。6.允許吸上真空高度 或臨界氣穴余量yzH1h?二者是表征水泵吸水性能曲線或氣穴性能的參數(shù)，它們是確定水泵安裝高度和評述水泵發(fā)生氣穴與氣蝕問題的主要參數(shù)。工況點(diǎn)調(diào)節(jié)方法：在選擇和使用水泵的實(shí)踐中，常常會出現(xiàn)確定的工作點(diǎn)偏離水泵設(shè)計工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，以至引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，這就必須采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點(diǎn)，使其符合要求。這種方法叫做水泵工況的調(diào)節(jié)。現(xiàn)將常用的幾種調(diào)節(jié)方法分述如下。1.車削調(diào)節(jié)11沿外徑車小離心泵的葉輪，可以改變水泵的性能曲線，從而擴(kuò)大水泵的使用范圍，這種方法稱為車削調(diào)節(jié)。離心泵葉輪車削不能超出某一范圍，否則原來的構(gòu)造被破壞，使葉片末端變粗，使葉輪和泵殼之間間隙過大，增加回流損失，以致水利效率降低。因而使用單位一般不采用這種調(diào)節(jié)方法來改變水泵工作點(diǎn)。2.變角調(diào)節(jié)通過改變?nèi)~片安裝角，使水泵性能曲線改變的方法成為水泵工況的變角調(diào)節(jié)，它適用于葉片安放角可以改變的軸流泵及混流泵，并不適合離心泵，因此這里不作詳述。3.節(jié)流調(diào)節(jié)對于出水管路中裝有閘閥的水泵裝置來說，當(dāng)把閘閥關(guān)小時，由于在管路中增加了一個局部阻力，則管路性能曲線變陡，于是，其工作點(diǎn)就沿著水泵的 H—Q 曲線朝著流量減小的方向移動。閘閥關(guān)得越小，附加阻力越大，流量就變得越小。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。4.變速調(diào)節(jié)變速調(diào)節(jié)是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況以擴(kuò)大水泵使用范圍的目的。變速調(diào)節(jié)就是對水泵相似理論的應(yīng)用。2.3.2 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理水泵的設(shè)計負(fù)荷是按最不利條件下最大時流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量：而電動機(jī)調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與楊程適應(yīng)管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。圖 2-2 變頻調(diào)速節(jié)能原理由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 與出水流量 Q 成正比：管網(wǎng)的水壓 H 與出水n流量 Q 的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 的三次方成正比，n即：12（2-26）1PkHQ?（2-27）2n（2-28）3（2-29）k上面各式中 為比例常數(shù)。123,k當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時，通過變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖 2-2 所示。圖中曲線 1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線 4 為水泵轉(zhuǎn)速為 時的運(yùn)行特性曲線，曲線 5 為水泵轉(zhuǎn)1n速為 時的運(yùn)行特性曲線。水泵原來的工作點(diǎn)為曲線 3 和曲線 4 的交點(diǎn) ，此時出2n A水流量為 ，管網(wǎng)壓力為 ，水泵轉(zhuǎn)速為 。當(dāng)系統(tǒng)的出水流量減小到 ，系統(tǒng)1Q1H1 2Q管網(wǎng)特性為曲線 1。曲線 1 和曲線 4 的交點(diǎn) 為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時管網(wǎng)壓力為 ，BH水泵的輸出功率正比于 。由于 ，高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時過2Q?21?高的壓力對管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至 ，曲線 5 和曲線 2 的交點(diǎn) 為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持2nC為 ，出水流量為口 ，水泵的輸出功率正比于 。從圖中可見，陰影部分1H1HQ?正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng) 為 的 80%時，通過調(diào)速將 調(diào)為 的21 2n180％，則水泵的輸出功率 為 的 51. 2％。如不采用調(diào)速控制，48.8％的能量將被2P1浪費(fèi)?？梢娮冾l調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。13第 3 章 恒壓供水系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)概述 [31]恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對水的需求，又不使電動機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本系統(tǒng)利用 和數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)給定壓力信號和反饋PLC壓力信號，通過 控制算法控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的PID目的。3.2 控制系統(tǒng)的組成3.2.1 供水系統(tǒng)的組成圖 3-1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖3.2.2 系統(tǒng)功能說明本系統(tǒng)主要可以分為手動和自動兩大塊，手動狀態(tài)下又可分為強(qiáng)制關(guān)閉和強(qiáng)制工頻自動運(yùn)行時能進(jìn)行 調(diào)節(jié)，進(jìn)行加泵，減泵，在手動狀態(tài)下也能進(jìn)行自動運(yùn)PID行，能通過 運(yùn)算及加，減泵控制水壓，防止出現(xiàn)超壓，欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。I143.3 恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理及調(diào)速泵的調(diào)速原理3.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理1.當(dāng) 處于手動狀態(tài)下：PLC在手動狀態(tài)下 會先檢測是否有強(qiáng)制工頻或強(qiáng)制關(guān)閉的泵，如果有則在開L始運(yùn)行時就先把被強(qiáng)制的泵按要求運(yùn)行或停止，如果處于手動檔但又沒有指定任何一臺泵的工作狀態(tài)則按自動狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)有泵處于強(qiáng)制狀態(tài)時，各泵對應(yīng)的輔助觸點(diǎn)會被置 1，其余泵如果按自動運(yùn)行狀態(tài)到一定時間（加泵或減泵） ，需要用到被強(qiáng)制的泵時會因輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)自動跳過被強(qiáng)制的泵，而繼續(xù)使再下一個泵工作或停止。2. 當(dāng) 處于自動運(yùn)行狀態(tài)下：PLC在自動運(yùn)行狀態(tài)下， 是不會檢測有無被強(qiáng)制的泵。因此，此時要注意使PLC用安全。3.啟動泵：按 1，2，3，4 的順序依次變頻啟動 4 個泵，當(dāng)泵運(yùn)行與 一段時間50Hz（具體時間由實(shí)驗(yàn)的出，暫定為 1 分鐘）后 算法所得結(jié)果依然不滿足水壓要求PID會增加下一個泵。 （如所有泵已經(jīng)工作則啟動報警，提示全泵組工作，但依然欠壓。此時可按取消報警停止報警）4.停止泵：停泵時并非按 4，3，2，1 的順序停止，因?yàn)槿绻@樣停會使泵的啟動與停止過于頻繁對泵組的損耗太大。因此在這里當(dāng) 算法的出結(jié)果需要減泵時會直接關(guān)I斷處于變頻運(yùn)行泵前面的，離變頻運(yùn)行的泵最近的，沒有被強(qiáng)制的泵。 （如果所有泵全部處于關(guān)閉，只有一個泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)則停止該泵并發(fā)出超壓報警，此時可按取消報警來取消報警）3.3.2 調(diào)速泵系統(tǒng)構(gòu)成由四臺泵構(gòu)成，無主次之分，使各泵對壓力更為平均。因?yàn)樽冾l器設(shè)計有停止特定泵的功能，所以檢修時也更為方便。3.4 變頻器 [6]3.4.1 變頻器輸入輸出接口下圖為兩相 220V 電壓下的接線圖圖 3-3 變頻器兩相 220V 電壓接線圖15下圖為三相 380V 電壓下的接線圖：圖 3-2 變頻器三相 380V 電壓接線圖3.4.2 變頻器外圍設(shè)備的選擇及保養(yǎng)1、冷卻風(fēng)扇為冷卻主回路半導(dǎo)體元件等發(fā)熱零件而使用的冷卻風(fēng)扇軸承的壽命為 1-3.5 萬小時。因此，在連續(xù)運(yùn)行的裝置中，通常 2-3 年為一個周期，應(yīng)更換冷卻風(fēng)扇。此外，在檢查時發(fā)現(xiàn)異常聲音，異常振動時，冷卻風(fēng)扇必須立即更換。2、平波電容在主回路直流部分作為平滑用使用大容量的鋁電解電容，在控制回路使用了穩(wěn)定控制電源的鋁電解電容，由于脈動電流等等的影響其特性會變差。這受周圍環(huán)境16和使用條件的影響很大，在通常的空調(diào)環(huán)境下使用時，約 10 年更換一次。電容的惡化經(jīng)過一定時期會急速地加快，因此，檢查周期最少為一年(接近壽命的希望在半年以下)檢查一次。檢查時外觀的判斷基準(zhǔn)①外殼的狀態(tài):外殼的側(cè)面，底面是否膨脹②封口板的狀態(tài):顯眼的彎曲，極端的裂痕③是否有其它、外觀、包裝裂痕、變色和漏出液體等等，定量地當(dāng)電容器到了額定容量 85%下時，就應(yīng)更換電容。3.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)1、滯后性供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量( 如: 溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應(yīng)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(yīng)。2、非線性用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，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)。3、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(yáng)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(qiáng)的多變性。4、時變性在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。17第 4 章 可編程控制器 PLC4.1 的定義 [20-22]PLC可編程控制器((Programmable Controller)是計算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱 ，它主要用來代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯PLC控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大的超過了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機(jī)(Personal Computer )的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱 。為了使 生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，國際電工委(IEC)先后頒布了 標(biāo)準(zhǔn)草案第PLC PLC一稿，第二稿，并在 1987 年 2 月通過對它的定義:“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)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(yùn)算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計的 [1,6]?？傊?，可編程控制器是一臺計算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計編制。4.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向PLC1、 的發(fā)展階段雖然 問世時間不長，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通迅技術(shù)的不斷進(jìn)步， 也迅速發(fā)展，其發(fā)展過程PLC大致可分為三個階段 [17]：(1)早期的 （60 年代末～70 年代中期)PLC早期的 一般稱為可編程邏輯控制器。這時的 多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時等。早期的 的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。其中 特有的編程語言—梯形圖PLC一直沿用至今。(2)中期的 (70 年代中期～80 年代中、后期)PLC在 70 年代，微處理器的出現(xiàn)使 發(fā)生了巨大變化。美國、日本、德國等一L些廠家先后開始采用微處理器作為 的中央處理單元( )。這樣，使 得PUPLC功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計時、計數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 模塊、各種特殊功能模/IO18塊，使 得應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。PLC(3)近期的 (80 年代中、后期至今)進(jìn)入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集