基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 基于PLC變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別 電力工程系 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 下達(dá)日期 2012年 2 月 26 日設(shè)計(jì)時(shí)間自 2012年 2月 26日至 2012年 5月 26日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：1、題目名稱 基于PLC的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2、題目來源 現(xiàn)場項(xiàng)目 二、項(xiàng)目簡介：隨著變頻器技術(shù)的日益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)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(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中發(fā)揮了很大的作用。采用變頻恒壓供水，具有高效節(jié)能，壓力穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，操作簡單，占地少，

2、 噪音低，無污染，投資低，效益高等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于： 1、 居民區(qū)、住宅樓、村鎮(zhèn)的集中生活供水系統(tǒng)。 2、 各種類型中央空調(diào)的循環(huán)泵、冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)。 3、 高層建筑、賓館、飯店等生活供水系統(tǒng)。  4、 綜合市場、寫字樓、商務(wù)樓生活供水系統(tǒng)。 5、 高層建筑熱水供給和熱水采暖系統(tǒng)與消防給水系統(tǒng)。 6、 工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活供水、恒壓流量供水工藝流程等。 7、 各類自來水廠與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉。 8、 各類恒壓供油，恒壓供氣

3、，恒壓供風(fēng)等恒壓流量的控制系統(tǒng)恒壓供水的基本控制策略是:采用可編程控制器（plc）與變頻調(diào)速裝置構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運(yùn)行，并自動調(diào)整泵組的運(yùn)行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水壓自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵的數(shù)量,自動補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。三、設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包括的內(nèi)容設(shè)計(jì)以PLC可編程控制器和變頻器為核心控制系統(tǒng)，通過控制投入工作水泵的臺數(shù)和自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持供水壓力的恒定。四、設(shè)計(jì)應(yīng)完成的圖紙1控制系統(tǒng)原理圖。2PLC控制器程序、流程圖。五、主要參考資料

4、1吳英倩.PLC在變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用。2張愛玲，李嵐，梅麗鳳.電力拖動與控制.機(jī)械工業(yè)出版社。3中國自動化網(wǎng)，變頻器與PLC在恒壓供水中的成功應(yīng)用。六、進(jìn)度要求1、第12周：資料搜集、相關(guān)應(yīng)用軟件學(xué)習(xí)： S7-200 PLC的資料學(xué)習(xí)； MM440變頻器資料學(xué)習(xí)； 參考文獻(xiàn)學(xué)習(xí)。 2、第34周：應(yīng)用CAD畫原理圖。 3、第5周：畫程序框圖。 4、第6周：編寫程序。 5、第79周：硬件組裝、程序調(diào)試。 6、第1012周：論文完成。 7、第1314周：答辯準(zhǔn)備、PPT制作。七、其它要求1、設(shè)計(jì)期間，周六、日連續(xù)進(jìn)行。2、做實(shí)驗(yàn)時(shí)注意人身、設(shè)備安全及公共財(cái)物完好。 3、注意論文格式規(guī)范，要求用A

5、4紙打印。摘 要本論文根據(jù)中國城市小區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng),變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先?！钡脑瓌t。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。關(guān)鍵詞：恒壓供水、PLC、變頻調(diào)速。ABSTRACTAccording to the thesis of Chinese city com

6、munity water supply requirements, design a set of PLC based frequency control constant pressure water supply system, variable frequency constant pressure water supply system by programmable controller, frequency converter, water pump, pressure sensor.The system includes three sets of water pump moto

7、rs, they are composed of variable frequency circulating operation. Using frequency converter to realize three-phase pump motor soft start with frequency control, operation switch adopts the" start first stop first " principle. The pressure sensor detects the pressure signal, into the PLC a

8、nd compared with a predetermined value after PID operation, thereby controlling the inverter output voltage and frequency, and then change the pump motor speed to change the quantity of water supply pipe network pressure, ultimately to keep stable in a set value near.Key words: constant pressure wat

9、er supply, PLC, variable frequency speed regulation目 錄引 言11課題概述11.1變頻恒壓供水概論11.2本課題產(chǎn)生的背景和意義11.3變頻恒壓供水現(xiàn)況21.4本次設(shè)計(jì)的主要工作32 變頻恒壓供水的理論分析42.1水泵的工作原理42.2電動機(jī)的調(diào)速原理42.3變頻恒壓供水的能耗分析52.4變頻恒壓供水系統(tǒng)組成及原理圖63系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)113.1PLC的概述113.2 變頻器的概述133.3 設(shè)備的選型183.4系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)183.5系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)193.6 PLC的IO端口分配及外圍接線圖214系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)234.1軟件設(shè)計(jì)分析234.

10、2 PLC程序設(shè)計(jì)245 結(jié)論31參考文獻(xiàn)32致 謝33附錄34附錄A英文文獻(xiàn)34附錄B中文翻譯38附錄C 主程序梯形圖41山西大學(xué)工程學(xué)院引 言眾所周知,水是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚哪茉粗?我們生活范圍的高度集中使得水的供給需求增大,而日常生活中對水的需求也隨著時(shí)間的變化而變化,為了保障對水的供給需求,也是時(shí)代的發(fā)展要求就必須有一些輔助裝置來確保,在我們居住的環(huán)境有穩(wěn)定的水源供應(yīng),根據(jù)需要的多少來自行調(diào)節(jié)水源的供給,從而,既充分利用了水源,又節(jié)約了相應(yīng)的能源,本文是針對某生活小區(qū)實(shí)際供水需求情況，結(jié)合用戶生活用水和消防用水的需要,擬定為社區(qū)恒壓供水。隨社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對供水質(zhì)量和供

11、水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高，再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢?，F(xiàn)將其中的改造情況介紹如下。恒壓供水系統(tǒng)對于生活小區(qū)是非常重要的，例如在生活小區(qū)供水過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時(shí)斷水，可能影響居民生活。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大損失和人員傷亡。所以，生活小區(qū)采用生活/消防雙恒壓供水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會意義。日常的生活用水量隨季節(jié)、晝夜、上下班的時(shí)間不同而有較大變化，因而經(jīng)常出現(xiàn)供水用水的不平衡，主要表現(xiàn)在水壓上，用水多而供水少則水壓低，用水少而供水

12、多則水壓高。某住宅區(qū)由于自來水管網(wǎng)的水壓較低，自來水通常不能到達(dá)住宅的較高樓層。傳統(tǒng)的供水方式利用蓄水池蓄水，用水泵再次將水送至樓頂?shù)母呶凰洌俟?yīng)給用戶。蓄水池中的水一般是由市政自來水管網(wǎng)供給，這樣，有壓力的水進(jìn)入水池后變成了零壓力，造成大量的能源白白浪費(fèi)，這種供水方式不可避免通過蓄水池和高位水箱造成二次污染，影響居民的身體健康。 基于上述情況，對某生活小區(qū)供水系統(tǒng)進(jìn)行改造，采用西門子PLC作為主控單元。并充分利用變頻器的變頻作用，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整供水系統(tǒng)的供給需要，達(dá)到恒壓供水的目的。改造提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果1課題概述1.1變頻恒壓供水概論隨著變頻器技術(shù)的日

13、益成熟，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)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(diǎn)，在小區(qū)供水和工廠供水控制中發(fā)揮了很大的作用。采用變頻恒壓供水，具有高效節(jié)能，壓力穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，操作簡單，占地少， 噪音低，無污染，投資低，效益高等優(yōu)點(diǎn)。對于大多數(shù)采用供水企業(yè)來說，傳統(tǒng)供水機(jī)泵存在日常運(yùn)行費(fèi)用太高，供水成本居高不下，單位供水的能耗偏大的問題，尋求供水與能耗之間的最佳性價(jià)比，是困擾企業(yè)的一個(gè)長期問題。目前各供水廠的供水機(jī)泵設(shè)計(jì)按最大揚(yáng)程與最大流量這一最不利條件設(shè)計(jì)，水泵大多數(shù)時(shí)間在設(shè)計(jì)效率以下運(yùn)行。導(dǎo)致電動機(jī)與水泵之間常常出現(xiàn)大馬拉小車問題。因此，如何解決供水與

14、能耗之間的不平衡，尋求提高供水效率的整體解決方案，是各供水企業(yè)關(guān)心的焦點(diǎn)問題之一。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)、電氣傳動技術(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)(簡稱變頻恒壓供水，如

15、圖1.2)，對于提高企業(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。 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1.2本課題產(chǎn)生的背景和意義我國長期以來在市政供水、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，而且對電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會影響設(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，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，啟動方式為軟啟動，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的二次污染的危險(xiǎn)。由此可

16、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，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(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。綜上所述，傳統(tǒng)

17、的供水方式普遍不同程度的存在浪費(fèi)水力、電力資源；效率低；可靠性差；自動化程度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。目前的供水方式朝向高效節(jié)能、自動可靠的方向發(fā)展，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，特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng)，居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中，變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出，其優(yōu)越性表現(xiàn)在：一是節(jié)能顯著；二是在開、停機(jī)時(shí)能減小電流對電網(wǎng)的沖擊以及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊；三是能減小水泵、電機(jī)自身的機(jī)械沖擊損耗?；赑LC和變頻技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采

18、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，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能源日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(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。1.3變頻恒壓供水現(xiàn)況1.3.1變頻恒壓供水的現(xiàn)況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)展起來的。在早期，由于國外生產(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、起制動控制、變壓變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，對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來

19、看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機(jī)組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)后，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，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”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

20、頻器控制基板上，通過設(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)成最多七臺電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖然說是微化了電路結(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)其范圍將會受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(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

21、件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。因此恒壓供水控制系統(tǒng)還需要一個(gè)成熟可靠的技術(shù)。采用變頻調(diào)節(jié)以后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟起動，電機(jī)起動電流從零逐漸增至額定電流，起動時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)沒有較大的沖擊，減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的，各種優(yōu)化方案都是以母管(市政來水管)進(jìn)口壓力保持恒定為條件。實(shí)際上，給水泵站的出口壓力允許在一定范圍內(nèi)變化。因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍，所得到的解為局部最優(yōu)解，不能完全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)。1.3.2變頻恒壓控制系統(tǒng)的

22、應(yīng)用范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為二類:(1) 小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng)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)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。(2) 國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(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135kV320kW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，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。1.4本次設(shè)計(jì)的主要工作本課題主

23、要通過研究PLC來控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，通過設(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（CPU226），變頻器選用西門子泵類專用的變頻器MM440。進(jìn)行了控制程序（梯形圖）的設(shè)計(jì)。在控制過程中，電控系統(tǒng)由S7-200完成，PID控制由變頻器完成。最后，對變頻恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，對該系統(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。PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，

24、本設(shè)計(jì)中有3個(gè)貯水池，3臺水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，即3臺水泵中只有1臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵做恒速運(yùn)行。PLC根據(jù)管網(wǎng)壓力自動控制各個(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，使供水管網(wǎng)壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。2 變頻恒壓供水的理論分析2.1水泵的工作原理供水所用水泵主要是離心泵，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，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。在泵啟動前，泵殼內(nèi)灌滿被輸送的液體:啟

25、動后，葉輪由軸帶動高速轉(zhuǎn)動，葉片間的液體也必須隨著轉(zhuǎn)動。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，液體由于流道的逐漸擴(kuò)大而減速，又將部分動能轉(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。可見，只要葉輪不斷地轉(zhuǎn)動，液體便會不斷地被吸入和排出。2.2電動機(jī)的調(diào)速原理水泵電機(jī)多采用三相異步電動機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： (2.1) 式中：f表示電源頻率，p表示電動機(jī)極對數(shù)，s表示轉(zhuǎn)差率。從上式可知，三相異步電動機(jī)的調(diào)速方法有：

26、(l) 改變電源頻率(2) 改變電機(jī)極對數(shù)(3) 改變轉(zhuǎn)差率改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(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)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速時(shí)轉(zhuǎn)速變化較大，轉(zhuǎn)矩也變化大，因此只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速為了保證其較大的調(diào)速范圍一般采用串級調(diào)速的方式，其最大優(yōu)點(diǎn)是它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過于復(fù)雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗7，且成本高而影響它的推廣價(jià)值。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調(diào)節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電

27、動機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。2.3變頻恒壓供水的能耗分析在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。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調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)壓力或流量的自動控制，同時(shí)可獲得大量節(jié)能。閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)正越來越多地取代高位水箱、水塔等設(shè)施及閥門調(diào)節(jié)。(1) 閥門控制法：通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，

28、而轉(zhuǎn)速保持不變。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。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。如圖 2.2所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%(即QX=60%QN)。當(dāng)通過關(guān)小閥門來實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性則仍為曲線，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。 圖2.2 調(diào)節(jié)流量的方法與比較(2) 恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉(zhuǎn)速控制法。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵的供水能

29、力來適應(yīng)用戶對流量的要求。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。以用戶所需流量等于60%Qn為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使得Qx=60%Qn時(shí)，揚(yáng)程特性仍為曲線，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。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。對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)

30、底是為了滿足用戶對流量的要求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但是揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制?？紤]到動態(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)。如：供水能力QG>用水需求QU，則壓力上升（P）；如：供水能力QG<用水需求QU，則壓力下降（P）；如：供水能力QG=用水需求QU，則壓力不變（P不變）?？梢?，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，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，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

31、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。2.4變頻恒壓供水系統(tǒng)組成及原理圖2.4.1變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及原理圖PLC控制變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有變頻器、可編程控制器、壓力變送器和現(xiàn)場的水泵機(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制流程圖如圖2.3所示：圖2.3變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程圖從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)

32、的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。(2) 信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報(bào)警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時(shí)，需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時(shí)，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)和水泵。此信號來自安裝于水池中的液

33、位傳感器；報(bào)警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。(3) 控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號進(jìn)行采集，對來自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵機(jī)組)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻

34、器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻去拖動另一臺水泵電機(jī)；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在50Hz時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可以選擇，本設(shè)計(jì)中采用前者。作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電

35、機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由PLC判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上10。變頻恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示： 圖2.4變頻恒壓供水系統(tǒng)框圖 恒壓供水系統(tǒng)通過安裝在用戶供水管道上的壓力變送器實(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓

36、力，并將其轉(zhuǎn)換為420mA的電信號，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較后的偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程如下:(l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動變頻泵M1工作，根據(jù)壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)

37、定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。(2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大，PLC的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。(3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，若此時(shí)用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下節(jié)有詳細(xì)闡述)時(shí)，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在PLC的控制下自動投入水泵M2(變速運(yùn)行)，同時(shí)變頻泵M1做工頻運(yùn)

38、行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時(shí)，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報(bào)警。(4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，系統(tǒng)將工頻泵M2關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵M3關(guān)掉。2.4.2水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)變頻泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)

39、的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)變頻泵和工頻泵都在運(yùn)行且變頻泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少工頻泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換呢?由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50HZ成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0HZ。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓

40、也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ左右。所以選擇50HZ和20HZ作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。若出現(xiàn)時(shí)就進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條

41、件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入切出再投入再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命。另外，實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個(gè)比較短的時(shí)間內(nèi)滿足。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。實(shí)際的機(jī)組切換判別條

42、件如下：加泵條件： 且延時(shí)判別成立 (2.6)減泵條件： 且延時(shí)判別成立 (2.7)式中： ：上限頻率 ：下限頻率：設(shè)定壓力 ：反饋壓力。在自動方式下進(jìn)行開環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)如下:1）其次，采集壓力傳感器反饋的信號，將該傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成PLC可處理數(shù)字信號。2）再次，PLC根據(jù)壓力反饋值，以及變頻輸出，對模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3）最后，在PLC中數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后，產(chǎn)生控制信號來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動的控制。就是工作過程。啟動運(yùn)行測量壓力反饋值調(diào)節(jié)規(guī)律計(jì)算檢測變頻器輸出輸出控制驅(qū)動器一個(gè)過程結(jié)束圖23 自動工作過程3系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1PLC的概述3.1.1可編程控制器可編程控制器

43、是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當(dāng)時(shí)稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC?？删幊炭刂破鞯漠a(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關(guān)系。繼電器是一種用弱電信號控制強(qiáng)電信號的電磁開關(guān)，但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應(yīng)于工藝要求發(fā)生變化的場合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一。可編程控制器具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)

44、動能力，但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，其靈活標(biāo)準(zhǔn)的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。在實(shí)際應(yīng)用中，其硬件可根據(jù)實(shí)際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖3.1 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。隨著微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的PLC已不只是開關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)將其正式命名為可編程控制器

45、(Programmable Controller)，簡稱PC，但是為了和個(gè)人計(jì)算機(jī)(Persona1 Computer)的簡稱PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC。事實(shí)上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無法向操作者顯示動態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無法進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工藝改變時(shí)，無法方便、快速地改變相關(guān)參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復(fù)雜一些的控制系統(tǒng)中，PLC通常與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)完整的控制功能。3.1.2 PLC的特點(diǎn)現(xiàn)代可編程控制器不僅能實(shí)現(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)處理、運(yùn)動控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。在發(fā)達(dá)的工

46、業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門，其應(yīng)用已擴(kuò)展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設(shè)備和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1）編程方法簡單易學(xué)2）功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)4）無觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少6）維修工作量小，維修方便 7）體積小，能耗低。3.1.3 PLC的工作過程圖3.2 PLC的掃描工作過程PLC是在系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段，如圖3.2所示。PLC在I/O

47、處理方面必須遵守的規(guī)則如下：輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)；程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)；輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個(gè)刷新時(shí)間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定；輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。3.2 變頻器的概述3.2.1 變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得

48、。對于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護(hù)電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動機(jī)及傳動系統(tǒng)等圖3.4 變頻器的構(gòu)成1.主電路給異步電動機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖3.5所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機(jī)需要制動時(shí)，有時(shí)要附加“制動回路”。 整流器最近大量使用的是二極管的交流器，圖3.5所示，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M

49、晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。 平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。制動回路異步電動機(jī)在再生制動區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動機(jī)）慣量積

50、蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時(shí)，可用由逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。圖3.5 典型的電壓型逆變器一例3.2.2變頻器的特點(diǎn)變頻調(diào)速特別是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，已使世界范圍內(nèi)的電氣傳動控制領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革，它是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、電力電子技術(shù)等的綜合產(chǎn)物。由于變頻器具有高動態(tài)、高性能、大容量、節(jié)能等顯著的特點(diǎn)，并以其優(yōu)越的調(diào)速性能和節(jié)能優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用，并取得了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。國內(nèi)外的資料表明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低20%，從而大大降低能耗，節(jié)能效率可達(dá)20%40%。節(jié)約了電費(fèi)、降低了生產(chǎn)

51、成本、減少了啟動時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，改善了工作環(huán)境，并易于實(shí)現(xiàn)自動化，同時(shí)可根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求控制的更準(zhǔn)確、更快速。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):1）高效節(jié)能變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達(dá)35%60% ，這一特點(diǎn)已被廣大用戶所認(rèn)識并帶來效益2）占地面積小，投人少，效率高采用水池上直接安裝立式泵，控制間只要安放一到兩個(gè)控制柜，體積很小，整個(gè)系統(tǒng)占地面積非常小，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(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步減少投資，運(yùn)行管理費(fèi)低的特點(diǎn)，再加上變頻供水的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，都決定了此變頻恒壓供水系統(tǒng)占地面積小，投人少，效率高。3

52、）配置靈活，功能齊全，自動化程度高。4）安全衛(wèi)生系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)供水后，用戶的水全部由管道直接供給，取消了水塔、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。5）管理簡便變頻恒壓供水系統(tǒng)具備了過流、過壓、欠壓、欠相、短路保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)、過載、失速保護(hù)、主泵定時(shí)輪換控制等功能，功能完善，自動運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力。3.2.3 變頻器的使用1、面板功能變頻器采用操作板面按鍵控制，各鍵的功能列入表4。表4 操作板 (BOP的按鍵及其功能)顯示/按鈕功能功能的說明起動變頻器按此鍵起動變頻器。缺省值運(yùn)行時(shí)此鍵是被封鎖的為了使此鍵的操作有效應(yīng)按照下面的數(shù)值修改

53、P0700 或 P0719 的設(shè)定值BOP P0700 = 1 或P0719 = 1016停止電動機(jī)OFF1 按此鍵變頻器將按選定的斜坡下降速率減速停車 OFF2 按此鍵兩次(或一次但時(shí)間較長)，電動機(jī)將在慣性作用下而自動停車改變電動機(jī)的方向按此鍵可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向,電動機(jī)的反向用負(fù)號()表示或用閃爍的小數(shù)點(diǎn)表示電動機(jī)點(diǎn)動在變頻器準(zhǔn)備運(yùn)行的狀態(tài)下按下此鍵將使電動機(jī)起動并按預(yù)設(shè)定的點(diǎn)動頻率運(yùn)行，釋放此鍵時(shí)變頻器停車。如果變頻器/電動機(jī)正在運(yùn)行，按此鍵將不起作用功能此鍵用于瀏覽輔助信息變頻器運(yùn)行過程中在顯示任何一個(gè)參數(shù)時(shí)按下此鍵并保持不動2秒鐘將顯示以下參數(shù)值1. 直流回路電壓(用d表示-單

54、位V)2. 輸出電流 (A)3. 輸出頻率 (Hz)4. 輸出電壓 (用o表示 單位V)5. 由P0005 選定的數(shù)值(如果P0005 選擇顯示上述參數(shù)中的任何一個(gè)，這里將不再顯示)連續(xù)多次按下此鍵將輪流顯示以上參數(shù)跳轉(zhuǎn)功能在顯示任何一個(gè)參數(shù)rXXXX或PXXXX時(shí)短時(shí)間按下此鍵將立即跳轉(zhuǎn)到r0000 如果需要的話您可以接著修改其它的參數(shù)跳轉(zhuǎn)到r0000后按此鍵將返回原來的顯示退出在出現(xiàn)故障或報(bào)警的情況下，按此鍵可以對它進(jìn)行確認(rèn)并將操作板上顯示的故障或報(bào)警信號復(fù)位。參數(shù)訪問按此鍵即可訪問參數(shù)增加數(shù)值按此鍵即可增加面板上顯示的參數(shù)數(shù)值減少數(shù)值按此鍵即可減少面板上顯示的參數(shù)數(shù)值2、參數(shù)表（參見表5

55、）表5 變頻器的參數(shù)代碼表代碼出廠設(shè)計(jì)含義P00034顯示所有參數(shù)P001010 準(zhǔn)備1 快速調(diào)試P010000 歐洲kW 頻率缺省值50 Hz1 北美 hp 頻率缺省值60 Hz2 北美 kW 頻率缺省值60 HzP020500 恒轉(zhuǎn)矩(例如壓縮機(jī)生產(chǎn)過程恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械)1 變轉(zhuǎn)矩(例如水泵風(fēng)機(jī))P030011 異步電動機(jī) (感應(yīng)電動機(jī))2 同步電動機(jī)P0304電動機(jī)的額定電壓P0305電動機(jī)的額定電流P0307電動機(jī)的額定功率P031050Hz電動機(jī)的額定頻率P0311電動機(jī)的額定速度P07001面板調(diào)試P07091開始快速調(diào)試P10001面板操作P10800Hz最小頻率P108250Hz最大頻率P112010s斜坡上升時(shí)間P112110s斜坡下降時(shí)間P11355s快速停車的斜坡下降時(shí)間P39001結(jié)束快速調(diào)頻r0020實(shí)際的頻率設(shè)定值r0021實(shí)際頻率r0022轉(zhuǎn)子的實(shí)際速度r0024實(shí)際的輸出頻率r0025實(shí)際的輸出電壓r0026直流回路電壓實(shí)際值