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1、基于PLC的变频给水程序设计：随着社会经济的迅速发展，高层建筑比例的不断增加，人们对给水质量和给水系统可靠性的要求在不断提高，由于能源紧缺，如何利用先进的自动化技术、控制技术，设计出高性能、高节能、能适应不同领域的恒压给水系统成为必然趋势。本文根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了二次加压给水系统的变频调速节能原理，接着分析了变频恒压给水的原理及系统的组成结构，提出基于PLC的多种不同的控制方案：控制系统有使用自带PID功能的变频器及PLC构成的最简系统，和使用带模拟量输入输出的PLC加上不带PID的变频器构成的系统。应用范围包含常规多泵变频恒压给水系统，无负压变频恒压给水系统，以及高稳定度的多
2、泵变频恒压系统。并详细阐述了系统的构成及相应的PLC程序设计。 本文先介绍常规多泵变频恒压给水系统。无负压变频恒压给水系统，以及高稳定度的多泵变频恒压系统将在基于PLC的给水泵组变频恒压控制程序设计（二）、（三）中介绍。关键词：PLC；恒压给水；PID控制；第一章 绪 论随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对给水的质量和给水系统可靠性的要求不断提高，其水质、水压、流量的监测与控制，直接影响给水系统的产品质量、服务质量和工作效率。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到给水领域，成为对给水系统的新要求。1.1 项目的背景及现状分析1-4 水是生产生活中不
3、可缺少的重要组成部分，城市的生活生产用水主要由自来水公司的市政管网提供。然而自来水的给水压力通常只能达到0.35Mpa,一般只能达到78层楼。随着国家经济的发展，城市内的次高层和高层建筑的比例不断增加。自来水的给水压力已无法满足次高层和高层建筑的生活消防给水的要求，只能依靠二次加压给水设备进行加压。当前的二次加压生活给水设备的给水方式主要有高位水塔、水箱给水、增压给水，其中增压给水又包括气压给水和变频恒压给水。高位水塔和高位水箱给水由水箱、水塔直接向用户给水，即为重力给水。给水压力比较稳定，但它需要由位置高度所形成的压力进行给水，为此需要建造水塔或将水箱置于建筑物顶层的最高点。即使如此，还常常
4、不能满足最不利给水点的给水要求，同时由于其存储的水量比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，且投资大、增加建筑周期长，还存在二次污染问题。气压给水系统仅在地下室或某些空余之处设置水泵机组和气压储水罐设备，采用气压增压给水来满足给水要求，即以气压罐代替水塔或高位水箱，利用密闭压力水罐内空气的压力将水加压到管网中去，其优点是不必设高位水箱。但压力采用上下限控制，压力变化较大，耗费动力较多，运行效率低，不节能，橡胶隔膜气压水罐的维护费用较高。近年来随着电机变频调速技术的成熟、普及和应用，其产品己用来更新改造传统给水系统，使我国的给水行业技术的装备水平经历了一次
5、飞跃。变频调速系统实现了水泵电机无级调速，根据水泵出口的压力情况自动调节水泵电机的转速，从而保持水压恒定，以满足人们对给水系统的高要求。恒压给水系统与传统的水塔、高位水箱或气压给水系统相比，无论是投资的规模，运行的经济性，可靠性，稳定性和自动化程度等方面都优于水塔给水系统和水箱给水系统，而且还有显著的节能效果。1.2 二次加压给水系统的技术发展趋势为了满足国家相关标准对恒压生活给水的相关要求，二次加压给水系统的类型除了由高位水箱给水或气压给水发展到变频恒压给水以外，还从带储水箱的变频恒压给水泵组加压系统发展到无负压变频变频恒压给水系统。在技术上还从普通的继电器开关量控制发展到电脑全自动程序控制
6、，从本地控制发展到远程、超程监控。控制系统的核心通常有单片机或PLC加变频器构成。用于给水控制单片机由于无法达到足够的批量，因而其可靠性、工作稳定性、寿命的持久性均比不上PLC；单片机控制程序固定，无法更新；一旦生产厂服务跟不上，设备出故障用户就无法维修和更换。因而使用PLC构成的控制系统更受用户的欢迎。目前市面占主流地位的变频器均增设了PID控制功能，采用该类变频器加上一只小型PLC，就可以构成一套最简的变频恒压给水控制核心。其构成成本较低，使用较广。但功能无法扩展。控制核心采用带模拟量输出输入的高性能PLC与常规变频器构成的系统，变频恒压的PID控制由PLC实现，可扩展液晶显示单元将运行数
7、据传送到液晶显示屏上显示，或通过显示屏方便的修改控制参数。还可以扩展远程通讯模块实现系统的远程和超远程控制。1.3 项目研究的主要内容 1.3.2 项目研究的主要内容通过对现有给水系统的调研和分析，确定以工作可靠、性能稳定、价格合理等特点的西门子S7系列单片机和西门子变频器构成的控制核心来设计变频恒压给水系统，确定控制要求，设计控制软件，并在工程项目实践中考验与使用，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体的研究内容主要包括以下几个方面：1、分析给水系统特性和原理，分析和论证变频调速方式在恒压给水系统中的节能原理和效果。通过对比异步电动机的调速方法后,给水系统中采用的变频调
8、速节能效果显著。最后列举变频调速恒压给水系统的主要特点。2、本文就最简的给水泵组控制系统的设计做了详细的叙述，包括硬件电路设计，控制软件的总体方案及程序结构设计，以及相关的控制程序实际。阐述设备的调试及变频器参数设定。最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。1.4 小结 本章首先介绍了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有给水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定给水的变频恒压给水及其远程监控系统的设计目标。提出了设计需要解决的主要技术问题和本文的主要研究内容。第二章 变频恒压给水系统的特性及原理变频调速恒压给水系统主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成，通常由鼠笼式异步电
9、动机驱动水泵旋转来给水。在同一路给水系统中，设置多台常用泵，给水量大时多台泵全开，给水量小时开一台或两台。这章主要分析给水系统的一些基本概念和特性。2.1 给水系统基本特性给水系统的参数表明了给水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用给水系统的特性曲线3直观地反映，主要有扬程特性曲线和管阻特性曲线。见图2-1。水系统的基本特性和工作点扬程特性是以给水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程 H与流量Q之间的关系曲线f（Q） 78。由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小
10、主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qv之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H与流量Q之间的关系H=f(Qv)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，给水系统向用户的给水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与给水流量Qg之间的关系H=f(Qg)。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为给水系统的工作点，如图2-1中A点。在这一点，用户的用水流量Qv和给水系统的给水流量Qg处于平衡状态
11、，给水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 图2-1 给水系统的基本特性Fig 2-1 The basic characteristics of feed-water system2.2 给水系统恒压实现方式实现对给水系统的控制就是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是给水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与给水能力(由流量Qg表示)和用水需求(由用水流量Qg表示)之间的平衡情况有关。若：给水能力Qg 用水需求Qv，则压力P上升;若：给水能力Qg 用水需求Qv，则压力P下降;若
12、：给水能力Qg 用水需求Qv，则压力P不变。由此可见，流体压力P的变化反映了给水能力Qg与用水需求Qv之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压给水就能保证给水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。将来用户需求发生变化时，需要对给水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。1、阀门控制法转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。实质是水泵本身的给水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但
13、扬程特性则不变。2、转速控制法阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。实质是通过改变水泵的给水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。2.3 异步电动机调速的方法及其原理通过转速控制法实现恒压给水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是异步电动机转速的调节910。异步电机的转差率定义为： 异步电机的同步速度为： 异步电机的转速为： 其中：s为转速差；n1为异步电机的理想空载转速，r/min；n为异步电机转子转速，r/min；f是异步电机的定子电源频率；p为异步电机的极对数。可知调速方法有：变极
14、调速、变转差调速和变频调速。2.3.1变极调速在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于给水系统中转速的连续调节。2.3.2变转差调速通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为9： 该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率 很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在给水系统中由转速控制法实现恒压给水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转
15、速，此时的转差率 增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压给水系统中的转速控制法。2.3.3变频调速11 - 13 从公式(2.3)可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通 基本不变，其关系为：U1/f1=常数式中：U1为变频器输出电压；f1为变频器输出频率。变频调速方式时，电动机的机械特性表达式9： 式中：m1为电机相数；r1为定子电阻；X1为定子漏电抗；x2为转子漏电抗折算值。频率f从额定值fn往下调时，电机机械特性的变化情
