變頻調(diào)速供水畢業(yè)論文講述

1、PLC 變頻調(diào)速恒水位供水變頻調(diào)速恒水位供水畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計 論論 文文 姓名：姓名： 李宏亭李宏亭 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師：趙旭升趙旭升目目 錄錄摘 要1第 一 章 緒 論 .21. 1 變頻調(diào)速恒水位供水的目的和意義21. 2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應(yīng)用31. 3 可編程序控制器的特點及應(yīng)用41.4 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書.5第 二 章 變頻調(diào)速恒水位控制系統(tǒng)的方案設(shè)計62. 1 變頻器的控制方式72. 2 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理2. 3 系統(tǒng)的方案設(shè)2. 4 系統(tǒng)工作過程第 三 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3. 1 主電路設(shè)計3. 2 控制電路設(shè)計3. 3 PLC 配置第 四 章 PLC 的設(shè)計4.

2、1 編程軟件的簡介和梯形圖的基本繪制規(guī)則4. 2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計4. 3 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計4. 4 控制系統(tǒng)軟件的工作過程4. 5 編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題第 五 章 恒水位供水系統(tǒng)的 Fuzzy 控制器的設(shè)計及 Simulink 仿真研究5. 1 模糊理論和模糊控制5. 2 模糊控制器的一般結(jié)構(gòu)5. 3 模糊控制器的設(shè)計小 結(jié)致 謝參 考 文 獻摘摘 要要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

3、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)今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 恒壓供水調(diào)速系統(tǒng) 第一章 緒 論1.1 變頻調(diào)速恒水位供水的目的和意義近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從 1990 年到 1998 年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有175.7 升增加到 241.1 升，增長了 37.2%1，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。欽州市是廣西壯族自治區(qū)的港口城

4、市，隨著城區(qū)的擴大和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，欽州市城區(qū)用水量急劇上升，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水總量從 1994 年的 1700 多萬噸激增到 2000 年的 7500 多萬噸。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水的水位要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時水位達(dá)不到要求,供水壓力不足，用水低峰期時供水水位超標(biāo),壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故） 。廣西壯族自治區(qū)欽州市自來水公司第一供水廠是該市城區(qū)內(nèi)的唯一的供水廠，是在解放前的老水廠基礎(chǔ)上改造擴

5、建而成的。供水廠以前雖然也進行過一些技術(shù)改造，但是生產(chǎn)系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動控制，生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)仍然依靠人工定時記錄，例如清水池水位、電機運行時間、耗電量等都是由值班人員定時記錄。隨著地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，城區(qū)居民生活用水和工業(yè)用水量大幅度上升。經(jīng)過改造和擴建，供水廠目前的日供水能力在 7.5 萬立方米左右，仍然不能完全滿足用水需求。由于城區(qū)用水量中居民生活用水所占的比例比較大，用水量的需求具有時變性。在用水高峰期時，清水池的水位達(dá)不到要求高度,管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水。用水低峰期時，管網(wǎng)壓力經(jīng)常超過規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。供水廠原有的生產(chǎn)設(shè)

6、備的控制方式比較落后，控制過程煩瑣，大部分需要人工進行手動操作，能耗高，而且不能保證供水壓力達(dá)到壓力標(biāo)準(zhǔn)。此外，水廠作為城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，其日常的生產(chǎn)、計劃、運行和管理都直接影響到城市的安全供水。長期以來水廠各部門的管理人員采用傳統(tǒng)的人工管理模式，通過手工從事繁重的業(yè)務(wù)管理、各種日報表、月報表、年報表的統(tǒng)計匯總等工作。由于對大量的統(tǒng)計報表的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏科學(xué)的分析手段，因此很難為運行管理以及調(diào)度提供強有力的決策支持。供水廠希望通過對原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此基礎(chǔ)之上配備相應(yīng)的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務(wù)管理水平。由于水

7、廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個完全依靠值班人員手動控制的系統(tǒng)，所以對該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進行，設(shè)計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費，提高設(shè)備的可維護性和運行的可靠性，以達(dá)到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。系統(tǒng)對控制水位的模糊控制進行研究。本控制系統(tǒng)將模糊控制、PLC、變頻器、相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)有機地結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，并設(shè)計

8、了配套的界面美觀、操作方便的自動控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)調(diào)試和使用都十分方便，而且大大簡化了水廠在管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析等方面的工作量。實踐證明，本系統(tǒng)不僅滿足了生產(chǎn)的需要，提高了整個水廠的整體管理水平，而且僅節(jié)約用電一項就為水廠創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。由于中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的特點及應(yīng)用作為高性能的調(diào)速傳動，直流發(fā)電機電動機調(diào)速控制方法長期以來一直應(yīng)用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩，價格也相當(dāng)昂貴。使異步電機實現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機的調(diào)速方法很多，例如無極調(diào)速、有極調(diào)速、定

9、子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應(yīng)用。70 年代以后，由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點，而且調(diào)速性能可以和直流電動機的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到 80 年代末，交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，它將供給交流電機的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由 IGBT 或 GTR 模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行

10、，并自動適應(yīng)變負(fù)荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電 4060，節(jié)水 1530。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機、水泵等大容量負(fù)載時，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器4。自從通

11、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)速恒水位供水設(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、恒水位供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水位的變化自動調(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和水位恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水

12、方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓、供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計簡易可靠，

13、但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、電機運行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。1.3 可編程序控制器的特點及應(yīng)用早期的可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應(yīng)用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標(biāo)實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DE

14、C)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70 年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC 的功能大大增強。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 I/O 模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，PLC 采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微處

15、理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了 PLC 軟、硬件功能。在發(fā)達(dá)工業(yè)國家，PLC 已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界 PLC 以及軟件市場報告稱，1995 年全球 PLC 及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約 50 億美元。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC 的功能得到大大的增強，具有以下特點：1可靠性高。PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2具有豐富的 I/O 接口模塊。PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應(yīng)的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設(shè)備直接連接

16、。另外為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC 的各個部件，包括 CPU、電源、I/O 等均采用模塊化設(shè)計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4編程簡單易學(xué)。PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5安裝簡單，維修方便。PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上

17、均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。由于 PLC 強大功能和優(yōu)點，使得 PLC 在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應(yīng)用。PLC 在水工業(yè)自動化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、SCADA 系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等7,8,9,10。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測以及水質(zhì)監(jiān)測等。1.4 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計課題是變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)，我的主要任務(wù)是應(yīng)用軟件設(shè)計和模糊控制器的設(shè)計，大體為以下五項內(nèi)容

18、：1. 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，變頻器的發(fā)展史一直到廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強、無公害化發(fā)展；介紹了 SIEMENS 公司的產(chǎn)品系列史，PLC 與其它工業(yè)裝置的比較：PLC 與繼電器控制系統(tǒng)，與集散控制系統(tǒng)，與工業(yè)控制計算機。以及其特點。2. 變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)的理論原理以及總體方按的設(shè)計 主要是變頻器的構(gòu)成、控制方式和形式，控制方式有三種形式：V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制；變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機理分析，以

19、及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。變頻調(diào)速恒供水系統(tǒng)方案；控制系統(tǒng)的工作過程 系統(tǒng)的工作過程分為以下三個工作狀態(tài)：1#電機變頻啟動；1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；2#電機單獨變頻運行；變頻工頻切換技術(shù)解決方案。3系統(tǒng)硬件設(shè)計（主電路、控制電路） ；P LC 接線圖設(shè)計，包括輸出輸入上元件的分配及編號，PLC 模塊由 CPU226，兩塊數(shù)字?jǐn)U展模塊，一塊擴展模塊所構(gòu)成。4應(yīng)用軟件設(shè)計（PLC 程序設(shè)計） 主要介紹了編程軟件的特點、語言和梯形圖其本繪制規(guī)則；控制系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括七大程序，分別是初始化程序、停機程序、閥門開關(guān)程序、水泵電機啟動程序、小功率電機變頻/工頻切換程序、報警程序；整個系統(tǒng)程序的

20、工作過程以及編程中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)。5恒水位供水系統(tǒng)的 Fuzzy 控制器設(shè)計及 Simulink 仿真研究 主要介紹模糊控制的概念和特點以及模糊控制器的設(shè)計，并且運用 MATLAB 進行 Simulink仿真研究 總之，在本次設(shè)計中，必須完成圖表：論文說明書、主電路圖、控制電路圖、PLC 接線圖、PLC 程序結(jié)構(gòu)框圖、PLC 程序設(shè)計梯形圖。第二章 變頻調(diào)速恒水位控制系統(tǒng)的方案設(shè)計2.1 變頻器的控制方式變頻器的發(fā)展已有數(shù)十年的歷史，在變頻器的發(fā)展過程中也曾經(jīng)出現(xiàn)過多種類型的變頻器，但目前成為市場主流的變頻器基本上有著如圖 21 所示的基本結(jié)構(gòu)。 控制電路整流電路逆變電路直流中間電路交流電商用電

21、源交流電頻率和電壓可調(diào)的交流電圖 21 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻調(diào)速的控制方式經(jīng)歷了 V/F 控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉(zhuǎn)矩控制。1、V/F 控制異步電動機的轉(zhuǎn)速與定子電源頻率f和極對數(shù)有關(guān)，改變f 就可以平滑的調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，但是頻率f的上升或者下降可能會引起磁路飽和轉(zhuǎn)矩不足的現(xiàn)象，所以在改變f的同時，還需要調(diào)節(jié)定子的電壓，使氣隙磁通保持不變，電動機的效率不下降，這就是 V/F 控制。V/F 控制簡單，通用性優(yōu)良。2、轉(zhuǎn)差頻率控制 由電機學(xué)的基礎(chǔ)知識可知，異步電動機轉(zhuǎn)矩M與氣隙磁通、轉(zhuǎn)差頻率f2的關(guān)系為： (2-1)22fM只要保持氣

22、隙中磁通一定，控制轉(zhuǎn)差頻率f2就可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制。3、矢量控制矢量控制是在交流電動機上模擬直流電動機控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，將定子電流分解成相應(yīng)于直流電動機的電樞電流的量和勵磁電流的量，并分別進行任意控制。矢量控制能夠?qū)D(zhuǎn)矩進行控制，獲得和直流電動機一樣的優(yōu)良的調(diào)速性能。2.2 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理一、水泵工況點的確定以及變化。 水泵工作點（工況點）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如果把某一水泵的性能曲線（即 H-Q 曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標(biāo)系中如圖 2-2 所示，則這兩條曲線的交點 A,就是水泵的工作點。 工作點

23、 A 是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定在 A 點。若把水泵的效率曲線-Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 2-2 中可以找出 A 點的揚程HA、流量 QA以及效率A。從圖 2-2 中可以看出，水泵在工作點 A 點提供的揚程和管路所需的水頭相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工作點一定要保證水水泵性能曲線管路性能曲線圖 2-2 水泵工作點的確定工作點的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運行管理中一個重要問

24、題。在變頻調(diào)速恒水位供水過程中，水泵工況點的變化如圖 23 所示曲線 圖 23 水泵工況點的變化當(dāng) P1、P2 高于 P0 時，說明管網(wǎng)系統(tǒng)用水量減少，管路阻力特性曲線A1、A2 向 A0 方向變化，此時水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，管網(wǎng)口壓力也由 P2、P1 逐漸下降，當(dāng) P低于 P0 時，其工況點變化與上述相反即由 A1逐漸向 A0 移動，使管網(wǎng)系統(tǒng)供水始終保持恒定。圖2-4 水泵變速恒壓工況根據(jù)圖 2-4 水泵變速恒壓工況分析：當(dāng)管網(wǎng)用水由 Q2、Q1.向 Q0 移動時，通過改變水泵轉(zhuǎn)速使 P0 保持恒定。二、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過程交流電動機的轉(zhuǎn)速 n 與電源頻率 f 具有如下關(guān)系：

25、 n =60 f(1-s)/p （22）式 22 中：p極對數(shù),s轉(zhuǎn)差率因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(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 f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n。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。 當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從 n1降低到 n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n,可使供水泵流量Q、揚程 H 和軸功率 N 以相應(yīng)規(guī)律改變。Q1/Q2=n1/n2 （23） H1/H2=(n1/n2)2 （24） P1/P2 =(n1/n2)3 （25）或 H

26、=KQ2 （26） 式 26 是頂點在坐標(biāo)原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。在變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。其工況調(diào)節(jié)過程可由圖 2-5 來說明。-Q相似工況拋物線CA水泵性能曲線管路性能曲線 圖 2-5 變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖由圖 2-5 可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚程）為 H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為 n1，工作點 A 的軸功率即為 AH0OQA四點所圍的面積。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓

27、力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 4-20A 電流信號送往模糊調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個令變頻器頻率降低的信號，從而降低電機轉(zhuǎn)速至 n2,水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A 移至 B 點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應(yīng)減小.。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速 n2所對應(yīng)的水泵性能曲線從點 B 移至 C 點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C 點，在圖 3 中可以找出 C 點的揚程 HC、流量 QC以及效率C ，工作點 C 的軸功率即為 CH0OQC四點所圍的面積?？疾焖玫男是€-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)

28、節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。三、變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定考察水泵的效率曲線-Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當(dāng)選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。2.

29、32.3 系統(tǒng)的方案設(shè)變頻調(diào)速恒水位供水系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示，由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 4 臺電動機的起動、運行與調(diào)速，其中兩臺大機(220KW)和兩臺小機(160KW,160KW)分別采用循環(huán)使用的方式運行。PLC 上接工控計算機，水位傳感器采樣水池水位信號，變頻器輸出電機頻率信號，這兩個信號反饋給 PLC 的模糊模塊,PLC 根據(jù)這兩個信號經(jīng)模糊運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。PLC 上接工控計算機，上位機裝有監(jiān)控軟件，對恒水位供水系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。如圖 2-6 所示:圖 2-6 變頻調(diào)速恒水位供

30、水自動控制系統(tǒng)組成2.4 系統(tǒng)工作過程根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能水位傳感器滿足生產(chǎn)需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設(shè)計，即把 1#水泵電機（160KW）和 2#水泵電機（220KW）為一組，3#水泵電機（160KW）和 4#水泵電機（220KW）分為一組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。分析自動控制系統(tǒng)的機組（1#、2#水泵電機）工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1) 1#電機變頻起動；2)1

31、#電機工頻運行，2#電機變頻運行；3) 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)源水的水位發(fā)生變化時，管網(wǎng)壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應(yīng)著三個切換過程：1.切換過程1#電機變頻起動，頻率達(dá)到 50HZ,1#電機工頻運行，2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，水池水位低于設(shè)定水位下限 hl，按下相應(yīng)的按鈕,選擇機組運行，在 PLC 可編程控制器控制下, KM2 得電，1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端，變頻器對拖動 1#泵的電動機采用軟起動，1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至

32、工頻（即0f50HZ） ，可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 端斷開，KM2 失電，1#電機自變頻器輸出端斷開，KM1 得電 1#電機切換至工頻運行。1#電機工頻運行后,開啟 1#泵閥門，1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著 KM3 得電，2#電機接至變頻器輸出端,接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟 2#泵閥門，2#水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn) 1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行，2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到水池水位達(dá)到設(shè)定值為止。2.切換過程由 1#電機工頻運行，2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變

33、為 2#電機單獨變頻運行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時，水壓增加，2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限時（2# minfhP電機）,在 PLC 可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開，hPPff,min2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。3.切換過程由 2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?2#電機變頻停止，1#電機變頻運行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時，2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻（即 50Hz） ，水池水位低于設(shè)定水位上限 H 時，接通變頻器 BX 端，變頻0

34、f器 FWD 端斷開， KM3 斷開，2#電機自變頻器輸出端斷開； KM2 得電,1#電機接至變頻器輸出端；接通變頻器 FWD 端,與此同時變頻器 BX 端斷開,1#電機開始軟起動。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)，開始新一輪循環(huán)。在 PLC 程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。1#和 2#機組工作過程流程圖如下：圖 2-7 機組工作過程流程圖若選擇機組（3#和 4#水泵電機）運行，其工作過程和上面類似。第三章第三章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 主電路設(shè)計在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用一臺變頻器連接 4臺電動機，其中 1#、3#水泵電機是小機，

35、具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)；2#、4#水泵電機是大機，只有變頻工作狀態(tài)，每臺電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的 1#和 3#電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)小機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當(dāng)選擇。由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，為了顯示電機當(dāng)前的工作電流，必須在每臺電機三相輸入電源前面都

36、接入兩個電流互感器，電流互感器和熱繼電器、兩個電流表連接，如圖 3-1 所示。兩個電流表一個安裝在控制柜上，另一個安裝在控制臺上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。同時熱繼電器可以實現(xiàn)對電動機的過熱保護。變頻器主電路電源輸入端子（R、S、T）經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（U、V、W）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U、V、W）的任意兩相。特別是對于有變圖 3-1 電流互感器的接線圖頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻工頻的切換過程中會產(chǎn)

37、生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)的 DC 電抗器，變頻器的P1,P+端子是連接 DC 電抗器之用。水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。對于系統(tǒng)中真空泵控制電路，使用一臺三相交流異步電動機和 4 個兩位兩通電磁換向氣閥組成抽取真空的回路。每次抽真空的時候，需要預(yù)先決定需要抽真空的水泵，然后先開啟真空抽取電動機，接著開啟控制要抽真空的水泵的電磁換向氣閥，這樣就能實現(xiàn)系統(tǒng)要求的抽取真空的功能。

38、如有必要，在系統(tǒng)中這樣還可以安裝多臺真空泵，實現(xiàn)同時抽取多臺水泵真空，確保系統(tǒng)的正常工作。3.23.2 控制電路設(shè)計在控制電路的設(shè)計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門接觸器的動作，都是按照 PLC 的程序邏輯來完成的。為了保護 PLC 設(shè)備，PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作。在 PLC 輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng)工作的可靠性?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現(xiàn)分組的組內(nèi)自動循環(huán)，所

39、以電路的自鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。組內(nèi)互鎖是指同一組中電動機的互鎖，組間互鎖是指不同機組之間電動機的互鎖。在實現(xiàn)組內(nèi)互鎖的時候，嚴(yán)禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連，而且當(dāng)大容量電動機變頻工作的時候，小容量電動機要么是工頻工作運行，要么是停止工作。所以在大容量電動機變頻工作的時候，要自動切斷小容量電動機的變頻控制電路?？刂齐娐返慕M間互鎖是通過輸入按鈕，控制 PLC 的輸入端口來實現(xiàn)的，當(dāng)選擇一組機組運行時，按下另一組起動按鈕則為無效操作?？刂齐娐分羞€必須考慮系統(tǒng)電機和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)計，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以

40、采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。3.3 PLC 配置1S7-200 型 PLC 的特點由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC 選用德國SIEMENS 公司的 S7-200 型。S7-200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性能/價格比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)4。SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點；PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。PLC 和上位機的通信采用 PC/PPI 電纜

41、，支持點對點接口（PPI）協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實現(xiàn)PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，通信傳輸速率為9.6Kbaud 或 19.2Kbaud。用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo37。2PLC 的開關(guān)量輸入、輸出點PLC 的輸入、輸出點數(shù)的確定根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計要求和所需控制的現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量加以確定。變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)采用分組運行的方式，把 1#水泵電機（160KW）和 2#水泵電機（220KW）分為機組，3#水泵電機（160KW）和 4#水泵電機（220KW）分為機組。兩組采用循環(huán)使用的方式運行，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間

42、的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。要求控制的現(xiàn)場設(shè)備有四臺電機接觸器的動作，四個閥門正反轉(zhuǎn)，變頻器的控制端子，熱繼電器輸入及報警等。PLC 輸入輸出端口地址的分配如下表 3-1 所示。（1）輸入端口自動控制系統(tǒng) PLC 的輸入端口包括機組啟動按鈕，閥門關(guān)閉按鈕，電機停止按鈕，以及機組啟動按鈕，閥門關(guān)閉按鈕，電機停止按鈕。另外 PLC 輸入端口還包括電動機的熱保護繼電器輸入，輸入形式是熱繼電器的常開觸點。（2） 輸出端口PLC 的輸出端口包括機組內(nèi)控制 1#電機兩個交流接觸器的動作，分別對應(yīng)變頻/工頻兩個工作狀態(tài)，1#水泵相應(yīng)閥門的正反轉(zhuǎn)，2#電機變頻運行的交流接觸器動作，2#水泵相應(yīng)閥門的正反轉(zhuǎn)

43、。機組內(nèi)控制 3#電機變頻/工頻運行的兩個交流接觸器,3#水泵相應(yīng)閥門的正反轉(zhuǎn)，4#電機變頻運行的交流接觸器動作，4#水泵相應(yīng)閥門的正反轉(zhuǎn)。PLC 與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護 PLC 設(shè)備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。對于變頻器，不僅需要一個中間繼電器來控制變頻器的 FWD 和 CM 的通斷，來實現(xiàn)變頻器的運行和停止；而且需要一個中間繼電器來控制變頻器的BX 和 CM 的通斷，斷開變頻器輸出，實現(xiàn)變頻/工頻的切換。此外，對于電動機的熱保護繼電器輸入，報警指示輸出既需要四個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。

44、表 31 可編程控制器輸入、輸出端口（I/0）地址分配表名稱端口地址I/O 中間繼電器 備 注XSM1234I0.0SB1關(guān)機XCV1234I0.1SB2關(guān)閥X12I0.2SB3選擇（1#和 2#）水泵電機運行X34I0.3SB4選擇（3#和 4#）水泵電機運行XBJ1I0.4BJ11#電機報警開關(guān)XBJ2I0.5BJ22#電機報警開關(guān)XBJ3I0.6BJ33#電機報警開關(guān)XBJ4I0.7BJ44#電機報警開關(guān)YFWDQ0.0FWD變頻器的 FWDCM 端子YBXQ0.1BX變頻器的 BXCM 端子YVF11Q0.2YVF11#變頻運行YWF11Q0.3YWF11#工頻運行YWF12Q0.5Y

45、WF22#工頻運行YKF11Q0.6YKF11#開閥YGF11Q0.7YGF11#關(guān)閥YKF12Q1.0YKF22#開閥YGF12Q1.2YGF22#關(guān)閥YBJ1Q1.3YBJ11#報警YBJ2Q1.4YBJ22#報警YBJ3Q1.5YBJ33#報警YBJ4Q1.6YBJ44#報警YFMQ1.7YFM峰鳴報警器YVF21Q3.0YVF33#變頻運行YWF21Q3.1YWF33#工頻運行YWF22Q3.3YWF44#工頻運行YKF21Q3.4YKF33#開閥YGF21Q3.5YGF33#關(guān)閥YKF22Q3.6YKF44#開閥YGF22Q3.7YGF44#關(guān)閥3PLC 的模擬量輸入、輸出點自動控制

46、系統(tǒng) PLC 的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測的水位信號，水位信號是以標(biāo)準(zhǔn)電流信號 420mA 進行傳輸?shù)?；變頻器反饋的電機頻率信號，電機頻率信號是 010V 的電壓信號。4PLC 的選型根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的 S7-200 型 PLC 的主模塊為 CPU266，其開關(guān)量輸出（DQ）為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出；開關(guān)量輸入 CPU266 為 24 點，輸入形式為24V 直流輸入。由于實際的開關(guān)量輸出有 22 點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是兩個 EM222 型模塊，該模塊有

47、8 個開關(guān)量輸出點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出。此外，為了方便的將水位信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給 PLC,經(jīng)比較計算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，選擇了 EM235 模擬量擴展模塊。該模塊有 4 個模擬輸入（AIW） ，1 個模擬輸出（AQW）信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長（16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長（16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進行設(shè)置。系統(tǒng)中 PLC 的選型包括一個 CPU266

48、主模塊，兩個 EM222 擴展模塊，一個 EM235 模擬量擴展模塊。如此 PLC 總共有 24 個數(shù)字信號輸入，32 個數(shù)字信號輸出,以及 4 個模擬輸入信號，1 個模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。第四章 PLC 的設(shè)計PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1 編程軟件開發(fā),該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言38。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面

49、向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，

50、控制任務(wù)的完成，是通過在RUN 模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。4.1 編程軟件的簡介和梯形圖的基本繪制規(guī)則 PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP-7 MOCRO/WIN32 V3.1 編程軟件開發(fā),基于 WINDOWS 的應(yīng)用軟件，該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表(STL)語言、梯形圖(LAD)語言、功能塊圖(FWD)語言。語句表(STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖(LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的

51、一種編程語言，與計算機語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計和運行維護人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。功能塊圖(FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。梯形圖的基本繪制規(guī)則：（1） 編程順序梯形圖按照從上到下，從左到右的順序控制。每個邏輯行開始于左母線，一般來說，觸點要放在左側(cè)，線圈和指令盒放在右側(cè)，線圈和指令盒右側(cè)不能有觸點，整個梯形圖形成階梯形結(jié)構(gòu)。（2） 編號分配

52、對于外接電路的各元件分配編號，編號的分配必須是主機或者擴展模塊本身實際提供的，而且可以用來編程，兩個設(shè)備不能共用一個輸入輸出點。（3） 觸點的使用次數(shù)和線圈的使用次數(shù) 在 PLC 的梯形圖中，觸點的使用次數(shù)可能用無數(shù)次，而線圈的使用次數(shù)只能是一次，否則，容易引發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)意外的事故。（4） 線圈的連接 使用一個條件驅(qū)動多個線圈時，不能串聯(lián)，只能并聯(lián)。4.24.2 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用一臺變頻器連接 4 臺電動機，其中 1#、3#水泵電機是小機，具有變頻/工頻兩種工作狀態(tài)，每臺電機都通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián)；2#、4#水泵電機是大機，只有變頻工作狀態(tài)，每臺電

53、機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)大機的額定電流來確定。對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的 1#和 3#電動機，還需要在工頻電源下面接入兩個同樣的自動空氣開關(guān)，來實現(xiàn)電機的過流過載保護接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)小機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當(dāng)選擇。變頻器主電路電源輸入端子（、）經(jīng)過空氣開關(guān)與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子（、）經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)換輸出端子（、）的任意兩相。特別是對于有變頻/工頻兩種狀態(tài)的電動機，一定要保證在工頻電源拖

54、動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD(REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉。PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、小功率水泵電機變頻/工頻切換程序、水泵電機換機程序、閥門開啟關(guān)閉程序、模擬量（壓力、水位、頻率）比較計算程序、停機程序和報警程序等構(gòu)成。1.系統(tǒng)初始化程序在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的

55、各個部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量（管網(wǎng)壓力、電機頻率）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實現(xiàn)的。2.水泵電機起動程序由于自動控制系統(tǒng)采用分組方式運行，但選擇不同機組運行時，PLC 程序自動完成相應(yīng)的電機起動。水泵電機起動前先要保證變頻器三相電源輸入端得電，PLC 發(fā)出指令，使連接變頻器三相電源輸出端與電機的接觸器閉合，延時幾秒后自動接通變頻器的外控端子 FWD-CM 之間的常開觸點，同時要保證 BX-CM 之間斷開。3.小功率水泵電機變頻/工頻切換程序小功率水泵電機變頻起動后，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到 50Hz 時

56、，先由鑒頻鑒相控制器檢測工頻電源和變頻輸出電源相位是否一致，若相位一致，PLC 的擴展模塊接受控制器 3、4 端子的 0V 電壓信號，經(jīng)由 PLC 比較計算，PLC 執(zhí)行一系列動作,使 BX-CM 之間接通，切斷變頻器的輸出，使變頻器的輸出電流為零。經(jīng)瞬間延時后，迅速切斷變頻接觸器和變頻器控制端子 FWD-CM，在此狀態(tài)下，切斷變頻接觸器既保證了在切換時工頻電源和變頻電源相位一致，也從根本上消除了接觸器的觸頭間的電弧。然后再由 PLC 迅速發(fā)出命令，快速吸合工頻接觸器，如此便實現(xiàn)了快速切換的目的。若相位不一致, 控制器在 3、4端子輸出+5V 的電壓信號，送入 PLC 的 EM235 端口，經(jīng)

57、 PLC 比較計算，并不完成切換動作，從而保證變頻器和水泵電機的安全運行。4.水泵電機換機程序水泵電機換機程序設(shè)計包括組內(nèi)切換和組間切換。組內(nèi)切換是根據(jù)不同時段管網(wǎng)壓力大小和電機反饋頻率大小來進行換機。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)有三個工作狀態(tài)，即小功率電機變頻起動；小功率電機工頻運行，大功率電機變頻運行；大功率電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)也對應(yīng)著三個切換過程。在水泵電機換機程序設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行。由于電機切

58、換涉及到不同時段管網(wǎng)壓力大小和電機反饋頻率大小比較計算，因此在組內(nèi)切換程序設(shè)計中還應(yīng)包含模擬量（壓力、頻率）比較計算和邏輯運算程序設(shè)計。組間切換是根據(jù)機組運行時間的長短來自動完成不同機組件的切換。當(dāng)一組中的大功率電機連續(xù)運行超過 48 小時后，必須使該機組停下來，自動啟動另一組水泵機組運行。5.閥門開啟關(guān)閉程序閥門開啟關(guān)閉程序既包含水泵機組起動和停機時的閥門開啟與關(guān)閉，也包含水泵機組在自動切換過程中的閥門開啟與關(guān)閉。在閥門開啟關(guān)閉程序設(shè)計中必須注意這條原則：開機時，保證先開機，再開閥；停機時先關(guān)閥，再停機。6.停機程序水泵機組在停機之前必須保證對應(yīng)的閥門關(guān)閉好以后，才能關(guān)閉水泵機組。停機程序設(shè)

59、計時要考慮停機動作與閥門關(guān)閉之間的互鎖。當(dāng)按下一組電機停止按鈕時，該水泵機組的所有運行的電機都會停止運行。7.報警程序報警程序是依據(jù)電動機的熱繼電器動作進行設(shè)計的，當(dāng)電動機過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為 PLC 的輸入條件。對于電動機的熱繼電器輸入，報警指示輸出既需要四個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。4.34.3 控制系統(tǒng)子程序設(shè)計PLC 子程序設(shè)計共包括四個子程序，分別是模擬量初始化子程序、模擬量數(shù)據(jù)處理子程序、自由通信初始化子程序、自由數(shù)據(jù)通信子程序。模擬量初始化子程序是將模擬量（管網(wǎng)壓力、電機頻率）數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。模擬量

60、數(shù)據(jù)處理子程序是采集管網(wǎng)壓力信號和電機頻率信號，并進行平均值處理。自由通信初始化子程序主要是完成通信端口的設(shè)置，自由通信設(shè)置主要是通過特殊標(biāo)志寄存器（SM）來完成的17。如用 SM30 來設(shè)置端口號，用SM86SM95 來設(shè)置通信傳輸數(shù)據(jù)格式、傳輸信息字節(jié)長度、信號傳輸空閑時間、起止標(biāo)志符等等。自由數(shù)據(jù)通信子程序設(shè)計就是要求把當(dāng)前設(shè)備的運行狀態(tài)、水池水位、電機頻率一起傳輸給自由通信口。在程序設(shè)計中，設(shè)備的運行狀態(tài)是依據(jù)輸出繼電器(Q)的狀態(tài)來確定的；由于管網(wǎng)壓力和電機頻率接入EM235 模塊時自動完成 A/D 轉(zhuǎn)換，因此管網(wǎng)壓力和電機頻率都是以數(shù)字量傳輸給自由通信口的。4.4 控制系統(tǒng)軟件的工