高層建筑控制的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

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1 概論 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。 變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(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)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.1變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，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，自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過(guò)于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式，以下就逐一分析。 1．一臺(tái)恒速泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶(hù)，有的甚至連蓄水池也沒(méi)有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。 2．恒速泵加水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶(hù)供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚(yáng)程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開(kāi)停時(shí)間比、開(kāi)停頻率等有關(guān)。供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要；而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問(wèn)題。而且在使用過(guò)程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動(dòng)的開(kāi)、停，這樣水泵的開(kāi)、停，將完全由人操作，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。 3．恒速泵加高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。高層建筑還可分層設(shè)立水箱。占地面積與設(shè)備投資都有所減少，但這對(duì)建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過(guò)大，所以供水范圍較小。一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水箱污染水質(zhì)。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開(kāi)、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。 4．恒速泵加氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開(kāi)、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點(diǎn)，在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者做一比較。 5．變頻調(diào)速供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無(wú)論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)速水泵調(diào)速控制方式有三種： 水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。 (1) 出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小，整個(gè)給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的，但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時(shí)，由于管路能耗較大，在低峰用水時(shí)，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。 (2) 出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。是將每日24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。 (3) 最不利點(diǎn)恒壓控制 最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但由于最不利點(diǎn)一般距離水泵較遠(yuǎn)，壓力信號(hào)的傳輸在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。 變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下工作。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)水泵是工頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時(shí)變頻器對(duì)水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，啟動(dòng)能耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量，這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問(wèn)題。同時(shí)由于氣壓罐體積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見(jiàn)變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運(yùn)行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐方式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動(dòng)。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量?jī)H占其總?cè)莘e的1/3-1/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動(dòng)過(guò)于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動(dòng)，電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒(méi)有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(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。在小區(qū)供水中，而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶(hù)的，防止了的水質(zhì)二次污染，保證了飲用水水質(zhì)可靠。 由此可見(jiàn)，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(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。 1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 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。在早期，由于國(guó)外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來(lái)看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類(lèi)設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn);有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。原深圳華為電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出子恒壓供水專(zhuān)用變頻器(5.5kw-22kw) ，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。 可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。 1.3 課題來(lái)源及本文的主要研究?jī)?nèi)容 1．課題來(lái)源 本課題來(lái)源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。 2．研究的主要內(nèi)容 通過(guò)前面對(duì)傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國(guó)己成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡(jiǎn)捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開(kāi)放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以用于深井泵恒壓供水系統(tǒng)、各類(lèi)型的自來(lái)水廠、供熱和空調(diào)循環(huán)用水系統(tǒng)、消防用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)，還可以廣泛應(yīng)用于化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。本文研究的主要內(nèi)容如下： （a）通過(guò)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運(yùn)行曲線 ，說(shuō)明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理。 （b）分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制策略，并歸納實(shí)用性的控制方案。 （c）研究PID控制器的設(shè)計(jì)原理及方法。 （d）設(shè)計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。 2 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析 在供水系統(tǒng)中，用水量處于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程之中，采取恒速泵供水方式，無(wú)法維持管壓恒定，同時(shí)也影響設(shè)備壽命；若采取閥門(mén)控制調(diào)節(jié)流量來(lái)維持管壓，必然造成大量的電能浪費(fèi)；而且水泵電機(jī)直接工頻起動(dòng)與制動(dòng)帶來(lái)的水錘效應(yīng)，對(duì)管網(wǎng)、閥門(mén)等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)速恒壓供水方式是一種不錯(cuò)的選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)恒壓供水，可節(jié)20-50%，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。 2.1 供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù) 供水系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。 摩擦損失 吸入口 水壓 全 揚(yáng) 程 實(shí) 際 揚(yáng) 程 泵 H0 H1 H3 H2 水面 L0 圖2-1 供水系統(tǒng)的基本模型 a)全揚(yáng)程的概念 b)基本模型 圖中： —— 水泵中心位置；—— 吸水口水位；—— 水平面水位；—— 管道最高處水位；—— 在管道高度不受限制的情況下，水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真實(shí)的管道系統(tǒng)中，這個(gè)位置并不存在。只有在大于管道的實(shí)際最高位置的情況下，才能正常水。 主要參數(shù)有： 1．流量 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是/min； 2．揚(yáng)程 也稱(chēng)水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的變化量，數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的水位差，常用單位是m； 3．實(shí)際揚(yáng)程 供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位與最低水位之間的水位差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即：=-； 4．全揚(yáng)程 水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位與吸入口的水位之間的水位差。全揚(yáng)程的大小說(shuō)明了水泵的泵水能力。即：=-； 5．損失揚(yáng)程 全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。,,之間的關(guān)系是： =+。供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚(yáng)程必須大于實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失； 6．管阻 閥門(mén)和管道系統(tǒng)對(duì)水流的阻力和閥門(mén)開(kāi)度、流量大小、管道系統(tǒng)等多種因素有關(guān)，難以定量計(jì)算，常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來(lái)描述； 7．壓力 表明供水系統(tǒng)中某個(gè)位置水壓大小的物理量。其大小在靜態(tài)時(shí)主要取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動(dòng)態(tài)情況下，則還與流量與揚(yáng)程之間的平衡情況有關(guān)。 2.2 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點(diǎn) 供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用供水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線和管組特性曲線，如圖2-2。通過(guò)特性曲線圖可以掌握供水系統(tǒng)的性能，確定其工作點(diǎn)。 圖2-2中： 曲線①——額定轉(zhuǎn)速時(shí)的 ② ① ③ ④ A B N 揚(yáng)程特性曲線； 曲線②——轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程特性曲線； 曲線③——閥門(mén)開(kāi)度100%時(shí)的管阻特性曲線； 曲線④——閥門(mén)開(kāi)度不足100%時(shí)的管阻特性曲線。 圖2-2 供水系統(tǒng)特性曲線 1．揚(yáng)程特性 以管路中的閥門(mén)開(kāi)度不改變?yōu)榍疤幔唇孛娣e不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程與流量間 的關(guān)系曲線，稱(chēng)為揚(yáng)程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程特性曲線不同，圖2-2中的曲線①、②分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速、，且＞。 曲線表明轉(zhuǎn)速一定時(shí)，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶(hù)的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。在這里，流量的大小取決于用戶(hù)，是用水流量，用表示。 用水量一定時(shí)，即不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。 2．管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤?，閥門(mén)在某一開(kāi)度下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線，稱(chēng)為管阻特性曲線。不同閥門(mén)開(kāi)度，管阻特性曲線不同，圖2-2中的曲線③對(duì)應(yīng)閥門(mén)開(kāi)度大于曲線④對(duì)應(yīng)的閥門(mén)開(kāi)度。 管阻特性表明由閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制供水能力的特性曲線。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門(mén)的開(kāi)度，即管阻的大小，是由供水側(cè)來(lái)決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是供水流量，用表示。 在實(shí)際的供水管道中，流量具有連續(xù)性，并不存在供水流量與用水流量的差別。這里的和是為了便于說(shuō)明供水能力和用水需求之間的平衡關(guān)系而假設(shè)的量。 當(dāng)供水流量接近于0時(shí)，所需的揚(yáng)程等于實(shí)際揚(yáng)程（）。表明了如果全揚(yáng)程小于實(shí)際揚(yáng)程的話，將不能供水。因此，實(shí)際揚(yáng)程也就是能夠供水的基本揚(yáng)程。 3．供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱(chēng)為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖2-2中的點(diǎn)表示水泵工作于額定轉(zhuǎn)速，閥門(mén)開(kāi)度為100%時(shí)的供水狀態(tài)，為系統(tǒng)的額定工作點(diǎn)。 4．供水功率 供水系統(tǒng)向用戶(hù)供水時(shí)所消耗的功率（kW)稱(chēng)為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比 （2-1） 式中一一比例常數(shù)。 2.3 供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式 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(hù)對(duì)流量的需求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與供水能力(由流量表示)和用水需求(由用水流量表示)之間的平衡情況有關(guān)。 若供水能力＞用水需求，則壓力上升； 若供水能力＜用水需求，則壓力下降； 若供水能力= 用水需求，則壓力不變。 可見(jiàn) ，流體壓力的變化反映了供水能力與用水需求之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來(lái)調(diào)節(jié)管道流量大小。這說(shuō)明，通過(guò)恒壓供水就能保證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(hù)所需的用水流量。 將來(lái)用戶(hù)需求發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 (1) 閥門(mén)控制法 轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量。 實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)用戶(hù)對(duì)流量的需求。這時(shí)的管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。 (2) 轉(zhuǎn)速控制法 閥門(mén)開(kāi)度保持不變，通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。 實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶(hù)對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 2.4 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法 通過(guò)轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 (2-2) 式中 一一異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，； 一一 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，； 一一 異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)； 一一 異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率； 一一 轉(zhuǎn)差率 ，100%。 由式（2-2）可知調(diào)速方法有變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。 1．變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對(duì)數(shù)的改變通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專(zhuān)門(mén)的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 2．變轉(zhuǎn)差調(diào)速 通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為 (2-3) 該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱(chēng)為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但在供水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水時(shí)，為適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過(guò)載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。 3．變頻調(diào)速 通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方式。 這種調(diào)速方式需要專(zhuān)用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡(jiǎn)稱(chēng)為VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為 =常數(shù) 式中 一一變頻器輸出電壓，一一變頻器輸出頻率。 變頻調(diào)速方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式 （2-4） 式中 一一電機(jī)相數(shù)； 一一定子電阻；一一定子漏電抗；一一轉(zhuǎn)子漏電抗折算值。 頻率從額定值往下調(diào)時(shí)， 電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖2-3所示。 圖中＞＞＞＞。 變頻調(diào)速過(guò)程的特點(diǎn)： 靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。 圖2-3 變頻調(diào)速機(jī)械特性 2.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析 2.5.1 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)節(jié)能 （1）轉(zhuǎn)速控制法與閥門(mén)控制法供水能耗分析 在圖2-2中，將閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫(huà)在了同一坐標(biāo)系中。假設(shè)系統(tǒng)原工作于額定狀態(tài)點(diǎn)，當(dāng)所需流量減少，從額定流量變?yōu)闀r(shí)，在恒壓前提下，采用閥門(mén)控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率與面積成正比；采用轉(zhuǎn)速控制法時(shí)供水系統(tǒng)工作點(diǎn)將移到B點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的供水功率與面積成正比。 兩種控制方式下的面積之差△=表明了采取轉(zhuǎn)速控制方式相對(duì)于閥門(mén)控制方式可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。 （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)與恒速運(yùn)行供水能耗分析 根據(jù)水泵比例定理，改變轉(zhuǎn)速，水泵流量、揚(yáng)程和軸功率都隨之相應(yīng)變化，其關(guān)系式為 （2-5） （2-6） （2-7） 式中 ， ，，分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和軸功率。從以上關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的3次方關(guān)系下降，可見(jiàn)轉(zhuǎn)速對(duì)功率的影響是最大的。 一般在設(shè)計(jì)中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點(diǎn)選型和安裝使用，即按額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。但在實(shí)際運(yùn)行中，管網(wǎng)用水量常常低于最不利工況，這時(shí)，如降低轉(zhuǎn)速相對(duì)于恒速泵供水運(yùn)行，能使水泵的軸功率大大減少。 可見(jiàn) ，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過(guò)變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時(shí)節(jié)能效果更為明顯。 2.5.2 轉(zhuǎn)速控制供水系統(tǒng)的工作效率高 (1) 工作效率的定義 供水系統(tǒng)的工作效率為水泵的供水功率與軸功率之比，即 (2-8) 該效率是包含了水泵本身效率在內(nèi)的整個(gè)供水系統(tǒng)的總效率。式(2-8)中 ，是指水泵是在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來(lái)功率，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率；是供水系統(tǒng)的輸出功率也就是水獲得的實(shí)際功率，由實(shí)際供水的揚(yáng)程和流量計(jì)算。供水過(guò)程中的損耗主要來(lái)自于水泵本身的機(jī)械損耗、水力損失、容積損失，以及管路中的管阻損耗。 (2) 供水系統(tǒng)工作效率的近似計(jì)算公式 水泵工作效率相對(duì)值的近似計(jì)算公式如下 (2-9) 式(2-9) 中 ——效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值均小于1。有以下關(guān)系，、、 、為常數(shù)，遵循如下規(guī)律-=1。 (3) 不同控制方式時(shí)的工作效率 閥門(mén)控制法方式，因轉(zhuǎn)速不變，=1，比值=，隨著流量的減小，減小，水泵工作的效率降低十分明顯。 轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，因閥門(mén)開(kāi)度不變，由式(2-4)，流量和轉(zhuǎn)速是成正比的，比值不變。即水泵的工作效率是不變的，總是處于最佳狀態(tài)。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門(mén)控制方式相比，供水系統(tǒng)的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。 2.5.3 變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行效率高 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，額定揚(yáng)程和額定流量通常留有裕量，而且，實(shí)際用水流量也往往達(dá)不到額定值，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，電機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)效率和功率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式變頻器能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。 2.6供水系統(tǒng)安全性討論 2.6.1 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)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性。壓強(qiáng)過(guò)高，將引起管子的破裂；壓強(qiáng)過(guò)低，又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門(mén)和固定件。 2.6.2 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)。 水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過(guò)程的快慢，決定了加速過(guò)程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。 拖動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；：是電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；：是供水系統(tǒng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖2-4反映了全壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。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，圖2-4b)中的鋸齒狀線是變頻起動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 由圖2-4可知，水泵在直接起動(dòng)過(guò)程時(shí)，因動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強(qiáng)烈的水錘效應(yīng)，通過(guò)變頻起動(dòng)，可有效地降低動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應(yīng)。 停機(jī)過(guò)程效果類(lèi)似。 O O ① ② 圖2-4 水泵的直接起動(dòng)和變頻起動(dòng) a)全壓起動(dòng) b)變頻起動(dòng) 2.6.3 變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用 采用變頻調(diào)速，對(duì)系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： (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 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 供水系統(tǒng)總體方案的確定 1．用戶(hù)需求 供水系統(tǒng)總體要求： (1) 由多臺(tái)水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍120m3/h，揚(yáng)程80米左右； (2) 設(shè)置一臺(tái)小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水； (3) 供水壓力要求恒定，尤其在換泵時(shí)波動(dòng)要??； (4) 系統(tǒng)能自動(dòng)可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動(dòng)功能； (5) 各主泵均能可靠地實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)； (6) 具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能； (7) 系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能。 2．方案確定 確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點(diǎn)用水需求，同時(shí)還需要結(jié)合用戶(hù)用水量變化類(lèi)型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術(shù)要求。 根據(jù)用戶(hù)的用水時(shí)段特點(diǎn)可將用戶(hù)用水量變化類(lèi)型分為連續(xù)型、間歇型兩大類(lèi)，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類(lèi)型也會(huì)改變。 連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量。 間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱恪? 采用變頻調(diào)速方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)30%。水泵變頻軟起動(dòng)沖擊電流小，也有利于電機(jī)泵的壽命，此外水泵在低速運(yùn)行時(shí)，噪聲小。 采用多臺(tái)水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺(tái)數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級(jí)調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少；其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來(lái)配置變頻器容量，減少投資。 處于供水低谷小流量或夜間小流量時(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺(tái)小流量泵來(lái)維持正常的泄漏和水壓。 多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的PLC通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 供水系統(tǒng)的恒壓通過(guò)壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓。 綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的變頻器和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)，其總體結(jié)構(gòu)如圖3-1。 圖3-1 系統(tǒng)構(gòu)成方案圖 3.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.2.1系統(tǒng)主要配置的選型 1．水泵機(jī)組的選型 根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)供水壓力(水泵揚(yáng)程)，考慮到用水量類(lèi)型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺(tái)主水泵機(jī)組和1臺(tái)輔助泵機(jī)組，型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表3-1。 表3-1 水泵型號(hào)及參數(shù) 用水量/（） 揚(yáng)程/ 水泵型號(hào) 電動(dòng)機(jī)功率/kw 配用變頻器/kw 363 100 65LG50-205 22 22 241 100 50LG24-205 11 11 2．變頻器的選型 根據(jù)控制功能不同，通用變頻器分為三種類(lèi)型。普通功能型u/f控制變頻器，具有轉(zhuǎn)矩控制功的高功能型u/f控制變頻器，矢量控制高功能型變頻器。供水系統(tǒng)屬泵類(lèi)負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的u/f控制變頻器。 綜合以上因素，系統(tǒng)選用專(zhuān)為風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型u/f控制方式的森蘭變頻器，型號(hào)BT12S22KWI,變頻器內(nèi)置PID控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。 其主要參數(shù)及性能介紹如下： 額定容量：30KVA；額定電壓：380V；額定電流：45A；額定過(guò)載電流：額定電流的120%1分鐘。 配用制動(dòng)電阻：30。 3．PLC的選型 依據(jù)控制任務(wù)，從PLC的輸入1輸出點(diǎn)數(shù)、存儲(chǔ)器容量、輸入l輸出接口模塊類(lèi)型等方面等來(lái)選擇PLC型號(hào)。在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選擇三菱FX2N-32MR，其I/O端子分配在3.2.4節(jié)給出。 FX2N-32MR主要參數(shù)及特點(diǎn)： I/O點(diǎn)數(shù)：16/16；用戶(hù)程序步數(shù)：4K；基本指令：27條；功能指令：298條；基本指令執(zhí)行時(shí)間：0.08微秒；通信功能：強(qiáng)；輸出形式：繼電型；輸出能力：2A/點(diǎn)。 4．壓力變送器及數(shù)顯儀的選型 選用普通壓力表Y-100和XMT-1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測(cè)、顯示和變送。壓力表測(cè)量范圍0-1MPa，精度1.5；數(shù)顯儀輸出一路4-20mA電流信號(hào)，送給變頻器作為PID調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上下、限，通過(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。 5．其余器件型號(hào) 表3-2器件型號(hào)表 元件 型號(hào) 參數(shù) 備注 自動(dòng)開(kāi)關(guān) DW10-200/3 脫扣器150A 3個(gè) DZ4-50/320 脫扣器50A 1個(gè) DZ4-25/320 脫扣器25A 1個(gè) 接觸器 CJ10-60 7個(gè) 熔斷器 RM10-100/80 1個(gè) RM10-200/125 4個(gè) RM10-600/500 1個(gè) 按鈕開(kāi)關(guān) LA19-11 規(guī)格：５００Ｖ 14個(gè) 指示燈 XD6 24V,1.2W 4紅，8綠 中間繼電器 DZ-53/220 24V,2.5-5W 14個(gè) 高低水位控制器 EQ 1個(gè) 主令控制器 SA 1個(gè) 熱繼電器 JR16-60/3D 熱元件32A，45A 1個(gè)32A，3個(gè)45A 3.2.2 主電路方案設(shè)計(jì) 三臺(tái)大容量的主水泵(1#,2 #,3 #)根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻兩種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過(guò)兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)接觸器接入工頻。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來(lái)確定。QF1,QF2,QF3,QF4,QF5,QF6分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣開(kāi)關(guān)，F(xiàn)R1, FR2, FR3, FR4為工頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)過(guò)載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)。 圖3-2 主電路圖 變頻器的主電路輸出端子(U,V,W)經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子(U,V,W)的相序，否則無(wú)法工作。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的配線長(zhǎng)度應(yīng)控制在100m以?xún)?nèi)。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子FWD(REV)來(lái)操作，不得以主電路空氣開(kāi)關(guān)QF2的通斷來(lái)進(jìn)行。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的(Pl, P+)端子之間需接入相應(yīng)的DC電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。圖3-2給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。 3.2.3 控制電路設(shè)計(jì) 在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問(wèn)題。為了保護(hù)PLC設(shè)備，PLC輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門(mén)的動(dòng)作。通過(guò)隔離，可延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，增強(qiáng)系統(tǒng)工作的可靠性。 控制電路之中還要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對(duì)于變頻器安全運(yùn)行十分重要。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說(shuō)不允許一臺(tái)電機(jī)同時(shí)接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。因此，在控制電路中多處對(duì)各主泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；另外，變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，為此對(duì)各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)。為提高互鎖的可靠性，在PLC控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過(guò)PLC內(nèi)部的軟繼電器來(lái)做互鎖。 控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門(mén)的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)和閥門(mén)的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門(mén)的工作狀態(tài)。 出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。通過(guò)轉(zhuǎn)換關(guān)及相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3-3給出了供水系統(tǒng)的部份電氣控制線路圖。 圖3-3 手動(dòng)控制線路圖 圖3-3 中，SA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，KA為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在②位置KA吸合，為自動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)按鈕SB1-SB14控制各臺(tái)泵的起停。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行PLC的控制程序，自動(dòng)控制泵的起停。 中間繼電器KA的7個(gè)常閉觸點(diǎn)串接在四臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上，控制四臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。中間繼電器KA的常開(kāi)觸點(diǎn)接PLC的XO，控制自動(dòng)變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四臺(tái)泵在PLC的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。 電動(dòng)機(jī)電源的通斷，由中間繼電器KA1-KA7控制接觸器KM1-KM7的線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)。HLO為自動(dòng)運(yùn)行指示燈。FR1, FR2, FR3，F(xiàn)R4為四臺(tái)泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。 3.2.4 PLC的I/O端子分配及接線圖 PLC的I/O分配如表3-3。 表3-3 PLC的I/O端子分配 現(xiàn)場(chǎng)器件與接線段子 I/O地址 功能注釋 輸 入 中間繼電器KA常開(kāi)觸點(diǎn) X0 自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 變頻器Y2端子 X1 變頻器輸出頻率極限信號(hào) 遠(yuǎn)傳壓力表壓力上限電接點(diǎn) X2 壓力下限到達(dá)信號(hào) 遠(yuǎn)傳壓力表壓力下限電接點(diǎn) X3 壓力上限到達(dá)信號(hào) 水池水位下限信號(hào) X4 水池缺水 接觸器KM8常開(kāi) X5 變頻器故障報(bào)警信號(hào) 接觸器KM9常開(kāi) X15 壓力上下限報(bào)警信號(hào) 變頻器Y1 X16 變頻器過(guò)載信號(hào) 輸 出 KA8線圈 Y0 實(shí)現(xiàn)運(yùn)行/停止控制 KA1線圈 Y1 1#變頻運(yùn)行控制及指示 KA2線圈 Y2 1#工頻運(yùn)行控制及指示 KA3線圈 Y3 2#變頻運(yùn)行控制及指示 KA4線圈 Y4 2#工頻運(yùn)行控制及指示 KA5線圈 Y5 3#變頻運(yùn)行控制及指示 KA6線圈 Y6 3#工頻運(yùn)行控制及指示 KA7線圈 Y7 輔助泵工頻運(yùn)行控制及指示 KA10線圈 Y10 水池水位下限報(bào)警指示 KA11線圈 Y11 變頻器故障報(bào)警指示 KA12線圈 Y12 水壓上下報(bào)警 KA13線圈 Y13 自動(dòng)變頻運(yùn)行指示 KA14線圈 Y14 自動(dòng)工頻運(yùn)行指示 KA15線圈 Y15 變頻器過(guò)載運(yùn)行指示 依據(jù)表3-3得FX2N-32MR的I/O口的輸入輸出電路圖，如圖3-4。 圖3-4 PLC的接線圖 3.2.5 變頻器功能設(shè)定及接線圖 表3-4 變頻器接線及參數(shù)設(shè)置 變頻器端子 現(xiàn)場(chǎng)器件與接線端子 功能 代碼 參數(shù)設(shè)定 解釋 FWD KA8線圈 Y1 PLC的X16 F33 4 輸出過(guò)載預(yù)報(bào)信號(hào) Y2 PLC的X1 F33 2 輸出頻率到達(dá)信號(hào) CM PLC的COM PE 接地端子 IRF 接壓力傳感器輸入信號(hào) 30A，30B KM8線圈 變頻器故障總報(bào)警信號(hào) 30PA，30PB KM9線圈 壓力上下限報(bào)警信號(hào) F01 2 頻率由外控端子IRF4～20mA F02 1 外控FWD,REV控制，STOP有效 F03 1 電動(dòng)機(jī)停車(chē)方式自由制動(dòng) F04 50.00 Hz 最大頻率 F06 380V 最高輸出電壓 F10 2 電子熱保護(hù)，過(guò)載預(yù)報(bào)動(dòng)作 F12 49.5Hz 上限頻率 F13 20.00 Hz 下限頻率 F21 10.00 Hz 啟動(dòng)頻率 F27 1 轉(zhuǎn)向鎖定，正向有效 F50 3 反饋方式模擬電流4～20mA F44 4 控制對(duì)象是壓力 表3-4中頻率參數(shù)設(shè)置說(shuō)明： (1) 最大頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，轉(zhuǎn)矩∝ ，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。因此，變頻器的最高頻率只能與水泵額定頻率相等。 (2) 上限頻率：由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而增大了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，因此實(shí)際預(yù)置得略低于額定頻率。 (3) 下限頻率：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過(guò)低，會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程(實(shí)際揚(yáng)程)，形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率不能太低，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。 (4) 啟動(dòng)頻率：水泵在啟動(dòng)前，其葉輪全部在水中，啟動(dòng)時(shí)，存在著一定的阻力，在從0Hz開(kāi)始啟動(dòng)的一段頻率內(nèi)，實(shí)際上轉(zhuǎn)不起來(lái)。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動(dòng)頻率值，使其在啟動(dòng)瞬間有一點(diǎn)沖擊力。 4 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā) 4.1 PLC控制程序的設(shè)計(jì) 4.1.1全自動(dòng)變頻恒壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過(guò)程分析 1．轉(zhuǎn)換過(guò)程分析 啟動(dòng)自動(dòng)變頻運(yùn)行方式時(shí)，首先起動(dòng)輔助穩(wěn)壓泵工頻運(yùn)行供水，當(dāng)用水量大，超過(guò)輔助泵最大供水能力而無(wú)法維持管道內(nèi)水壓時(shí)，PLC通過(guò)變頻器啟動(dòng)1號(hào)主水泵供水，同時(shí)關(guān)閉輔助泵的運(yùn)行。在1號(hào)主水泵供水過(guò)程中，變頻器根據(jù)水壓的變化通過(guò)PID調(diào)節(jié)器調(diào)整1號(hào)主水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量，維持水壓。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，由PLC給出控制信號(hào)，將1號(hào)主水泵與變頻器斷開(kāi)，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時(shí)變頻器對(duì)2號(hào)主水泵軟啟動(dòng)。系統(tǒng)工作于1號(hào)工頻、2號(hào)變頻的兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時(shí)，將按上述過(guò)程繼續(xù)增開(kāi)水泵臺(tái)數(shù)，直到滿足水壓要求。整個(gè)加泵過(guò)程中，總是保證原來(lái)工作于變頻運(yùn)行狀態(tài)的水泵轉(zhuǎn)入工頻恒速運(yùn)行，新開(kāi)泵軟啟動(dòng)并開(kāi)始運(yùn)行在變頻狀態(tài)，保證只有一臺(tái)水泵運(yùn)行在變頻狀態(tài)。 當(dāng)用水量減少時(shí)，變頻器通過(guò)PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)維持水壓。若變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，水壓仍過(guò)高，按“先起先停”的原則，由PLC給出控制信號(hào)，將當(dāng)前供水狀態(tài)中最先工作在工頻方式的水泵關(guān)閉，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器將根據(jù)新的水壓偏差自動(dòng)升高變頻器輸出頻率，加大供水量，維持水壓。當(dāng)用水量持續(xù)減少，系統(tǒng)繼續(xù)按“先起先?！痹瓌t逐臺(tái)關(guān)閉處于工頻運(yùn)行的水泵。 當(dāng)系統(tǒng)處于單臺(tái)主水泵變頻供水狀態(tài)時(shí)，若用水量減少，變頻器輸出頻率達(dá)到下限頻率時(shí)，水壓仍過(guò)高時(shí)，關(guān)閉變頻器運(yùn)行，啟動(dòng)輔助泵維持供水。 2．供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系 供水狀態(tài)是指在供水時(shí)投入運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)及運(yùn)行狀況(工頻或變頻)。為保證在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間周期內(nèi)，各臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)間基本均等，避免某臺(tái)電機(jī)長(zhǎng)期得不到運(yùn)行而出現(xiàn)銹死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。 若有N臺(tái)水泵參與變頻調(diào)速，則滿足“先起先?！痹瓌t的最大有效狀態(tài)數(shù)為“”。將來(lái)的供水狀態(tài)就在這些有效狀態(tài)范圍內(nèi)來(lái)回循環(huán)。 本系統(tǒng)采用了三臺(tái)主水泵和一臺(tái)輔助穩(wěn)壓泵供水，其中只有主水泵參與變頻運(yùn)行，共有10種有效供水狀態(tài)，見(jiàn)表4-1。 圖4-1可見(jiàn)，供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換不但和轉(zhuǎn)換條件有關(guān)，還與其目前所處的供水狀態(tài)有關(guān);由輔助泵切換到主泵供水也遵循有效狀態(tài)循環(huán)方式，即上一次啟動(dòng)1#主泵，則下次由輔助泵切換到主泵供水，應(yīng)啟動(dòng)2#泵。 3．狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達(dá)極限頻率及水壓是否達(dá)到上、下限值。設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極 限頻率時(shí)的信號(hào)為X1，水壓達(dá)到設(shè)定壓力下限值時(shí)的欠壓信號(hào)為X2，水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)的超壓信號(hào)為X3。 從輔助泵切換到主泵條件：滿足X2； 從主泵切換到輔助泵條件：同時(shí)滿足X1、X3； 增泵條件：同時(shí)滿足X1、X2； 減泵條件：同時(shí)滿足X1、X3； 4．狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的實(shí)現(xiàn)方法 從輔助泵切換到主泵只需斷開(kāi)輔助泵的供電，同時(shí)用變頻器以起始頻率起動(dòng)一臺(tái)主泵的運(yùn)行即可；從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開(kāi)，同時(shí)將輔助泵直接投入工頻運(yùn)行即可。 減泵過(guò)程是在滿足減泵條件的前提下，通過(guò)PLC控制，斷開(kāi)工頻運(yùn)行狀態(tài)電機(jī)的接觸器主觸點(diǎn)即可。 增泵過(guò)程的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜一些，首先要將運(yùn)行在變頻狀態(tài)的電機(jī)和變頻器脫離后，再切換到電網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)變頻器又要以起始頻率起動(dòng)一臺(tái)新的電機(jī)運(yùn)行。切換過(guò)程主要考慮三方面的問(wèn)題： 第一，切換過(guò)程的可靠性。決不允許出現(xiàn)變頻器的輸出端和工頻電源相連的情況，這一點(diǎn)通過(guò)控制電路、PLC內(nèi)部軟繼電器的互鎖及PLC控制程序中動(dòng)作的時(shí)間先后次序來(lái)保證。 其次，切換過(guò)程的完成時(shí)間。時(shí)間太長(zhǎng)，原變頻運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，一方面造成水壓下降大，另一方面在接下來(lái)切換到工頻時(shí)沖擊電流大，時(shí)間太短，切換過(guò)程的可靠性下降。具體時(shí)間還需根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量大小來(lái)設(shè)定，容量越大時(shí)間越長(zhǎng)，一般情況下500ms足夠。 再次，切換過(guò)程的電流。因變頻器輸出電壓相位和電網(wǎng)電壓相位一般不同，當(dāng)電機(jī)從變頻器斷開(kāi)后，轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)在定于繞組中的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓往往也存在相位差。此時(shí)，切換到工頻電網(wǎng)瞬間，如果二者剛好反相，則將產(chǎn)生比直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流更大的沖擊電流，反過(guò)來(lái)對(duì)變頻器造成沖擊。 4.1.2 PLC程序設(shè)計(jì)方法 1．PLC編程語(yǔ)言 PLC是由繼電器接觸器控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的一種新型的工業(yè)自動(dòng)化控制裝置。采用了面向控制過(guò)程、面向問(wèn)題、簡(jiǎn)單直觀的PLC編程語(yǔ)言，易于學(xué)習(xí)和掌握。盡管?chē)?guó)內(nèi)外不同廠家采用的編程語(yǔ)言不盡相同，但程序的表達(dá)方式基本類(lèi)似，主要有四種形式：梯形圖、指令表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和高級(jí)語(yǔ)言。 梯形圖編程語(yǔ)言是一種圖形化編程語(yǔ)言，它沿用了傳統(tǒng)的繼電接觸器控制中的觸點(diǎn)、線圈、串并聯(lián)等術(shù)語(yǔ)和圖形符號(hào)，與傳統(tǒng)的繼電器控制原理電路圖非常相似，但又加入了許多功能強(qiáng)而又使用靈活的指令，它比較直觀、形象，對(duì)于那些熟悉繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，易被接受。繼電器梯形圖多半適用于比較簡(jiǎn)單的控制功能的編程。絕大多數(shù)PLC用戶(hù)都首選使用梯形圖編程。 指令是用英文名稱(chēng)的縮寫(xiě)字母來(lái)表達(dá)PLC的各種功能的助記符號(hào)，類(lèi)似于計(jì)算機(jī)匯編語(yǔ)言。由指令構(gòu)成的能夠完成控制任務(wù)的指令組合就是指令表，每一條指令一般由指令助記符和作用器件編號(hào)組成。比較抽象，通常都先用其它方式表達(dá)，然后改寫(xiě)成相應(yīng)的語(yǔ)句表。編程設(shè)備簡(jiǎn)單價(jià)廉。 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖語(yǔ)言(SFC)類(lèi)似于計(jì)算機(jī)常用的程序框圖，但有它自己的規(guī)則，描述控制過(guò)程比較詳細(xì)具體，包括每一框前的輸入信號(hào)，框內(nèi)的判斷和工作內(nèi)容，框后的輸出狀態(tài)。這種方式容易構(gòu)思，是一種常用的程序表達(dá)方式。 高級(jí)語(yǔ)言類(lèi)似于BACIC語(yǔ)言、C語(yǔ)言等，在某些廠家的PLC中應(yīng)用。 2．梯形圖語(yǔ)言編程的一般規(guī)則 通常微、小型PLC主要采用繼電器梯形圖編程，其編程的一般規(guī)則有： (1) 梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)邏輯行起始于左母線，然后是觸點(diǎn)的各種連接，最后是線圈或線圈與右母線相連，整個(gè)圖形呈階梯形。梯形圖所使用的元件編號(hào)地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。 (2) 梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因而圖中各支路也沒(méi)有真實(shí)的電流流過(guò)。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”等來(lái)形象地描述用戶(hù)程序解算中滿足輸出線圈的動(dòng)作條件，它僅僅是概念上虛擬的“電流”，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流，層次的改變也只能自上而下。 (3) 梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲(chǔ)器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器為“1”態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)斷觸點(diǎn)打開(kāi)，反之為“0態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。 (4) 梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。 (5) 繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用；而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以重復(fù)使用，且使用次數(shù)不受限制。 (6) PLC在解算用戶(hù)邏輯時(shí)，是按照梯形圖由上而下、從左到右的先后順序逐步進(jìn)行的，即按掃描方式順序執(zhí)行程序，不存在幾條并列支路同時(shí)動(dòng)作，這在設(shè)計(jì)梯形圖時(shí)，可以減少許多有約束關(guān)系的聯(lián)鎖電路，從而使電路設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。所以，由梯形圖編寫(xiě)指令程序時(shí)，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于一條指令，一條指令為一個(gè)步序。 3．PLC程序開(kāi)發(fā)平臺(tái) 不同公司的PLC采取的開(kāi)發(fā)平臺(tái)不同，這次設(shè)計(jì)采用MITSUBISHI公司提供的Windows環(huán)境下的編程軟件MELSOFT系列GX Developer來(lái)開(kāi)發(fā)。先用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(SFC)來(lái)描述供水狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過(guò)程和轉(zhuǎn)換條件，再用步進(jìn)順控指令(STL)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)梯形圖，通過(guò)檢查、編譯后，用專(zhuān)用編程電纜下載到PLC程序存儲(chǔ)器中。其間還需要一個(gè)調(diào)試過(guò)程。 4．程序掃描工作方式的原理 當(dāng)PLC運(yùn)行時(shí)，用戶(hù)程序中有眾多的操作需要去執(zhí)行，但CPU是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作的，它只能按分時(shí)操作原理每一時(shí)刻執(zhí)行一個(gè)操作。這種分時(shí)操作的過(guò)程稱(chēng)為CPU對(duì)程序的掃描。掃描從0000號(hào)存儲(chǔ)地址所存放的第一條用戶(hù)程序開(kāi)始，在無(wú)中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按存儲(chǔ)地址號(hào)遞增順序逐條掃描用戶(hù)程序，也就是順序逐條執(zhí)行用戶(hù)程序，直到程序結(jié)束。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個(gè)掃描周期，然后再?gòu)念^開(kāi)始掃描，并周而復(fù)始。 順序掃描的工作方式簡(jiǎn)單直觀，它簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)，并為PLC的可靠運(yùn)行提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就可以被將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過(guò)CPU設(shè)置的定時(shí)器來(lái)監(jiān)視每次掃描是否超過(guò)規(guī)定的時(shí)間，從而避免了由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)而造成故障的影響。 PLC