恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、變頻器綜合設(shè)計(jì)變頻器綜合設(shè)計(jì)變頻器控制恒壓供水系統(tǒng)變頻器控制恒壓供水系統(tǒng) 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 1515 電氣普招電氣普招 設(shè)計(jì)人：設(shè)計(jì)人： 王于風(fēng)王于風(fēng) 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)： 201550030107201550030107 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 雷鋼雷鋼 設(shè)計(jì)時(shí)間：設(shè)計(jì)時(shí)間： 20172017 年年 1010 月月 2020 日日 摘要恒壓供水在城市自來水管網(wǎng)系統(tǒng)、住宅小區(qū)生活消防用水系統(tǒng)、樓宇中央空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域中均有應(yīng)用。恒壓供水是指用戶端在任何時(shí)候，不管用水量的大小總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定。在恒壓供水系統(tǒng)中可根據(jù)壓力給定的理想值信號(hào)及管網(wǎng)水壓的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，變頻器根據(jù)比較

2、結(jié)果調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。本文主要針對當(dāng)前供水系統(tǒng)中存在的自動(dòng)化程度不高、能耗嚴(yán)重、可靠性低的缺點(diǎn)加以研究，開發(fā)出一種新型的并在這三個(gè)方面都有所提高的變頻式恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。全文共分為四章。第一章闡明了供水系統(tǒng)的應(yīng)用背景、選題意義及主要研究內(nèi)容。第二章闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理。第三章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件的工作原理以及硬件的選擇。第四章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件開發(fā)并對程序進(jìn)行解釋。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞： 恒壓供水，PLC，變頻技術(shù)I目 錄摘要.II1 變頻控制系統(tǒng)簡介.11.1 變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)簡介 .11.2 變頻調(diào)速在供水行業(yè)中的應(yīng)用 .12 供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理.4

3、2.1 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理.42.2 本系統(tǒng)總體介紹.53 系統(tǒng)硬件的工作原理及硬件選擇.73.1 PLC 的工作原理及選擇 .73.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及選擇.93.3 壓力傳感器的選擇.123.4 水泵的選擇.133.5 鑒頻鑒相問題.143.6 控制電路.164 系統(tǒng)軟件開發(fā).184.1 PLC 編程簡介 .184.2 PLC 程序解釋 .26致 謝.29參考文獻(xiàn).3001 變頻控制系統(tǒng)簡介1.11.1 變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)簡介變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)簡介變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)是集現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)、PLC 技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的新一代給水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全可以取代傳統(tǒng)的水塔、

4、高位水箱和氣壓罐等給水方式。與傳統(tǒng)的給水方式相比，該系統(tǒng)不但滿足了現(xiàn)代工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)居民和高層建筑對新型給水系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)采用內(nèi)置變頻調(diào)速器、先進(jìn)的可編程控制器等現(xiàn)代控制技術(shù)，對水泵機(jī)組進(jìn)行閉環(huán)控制，確保壓力波動(dòng)小、達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)間短、且可隨用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速及工作水泵臺(tái)數(shù)，確保恒壓變量供水。系統(tǒng)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，滿足多種本地和遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)。 系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)操作方式，系統(tǒng)壓力、電機(jī)電流、電機(jī)頻率和電機(jī)累計(jì)運(yùn)行千瓦時(shí) LED 顯示，變頻器、電機(jī)工況與故障指示及防誤操作等功能。系統(tǒng)具有輸入電源缺相、不平恒、過壓、過流、過載、短路、電

5、機(jī)過熱、飛速啟動(dòng)、斷水及低水位停機(jī)等完善的安全保護(hù)功能，有效的提高了給水成套設(shè)備的安全可靠性。該系統(tǒng)還配有完善的故障自診斷、故障檢修手動(dòng)工作方式等功能，使維修工作十分輕松快捷。由于控制回路與負(fù)載回路之間是通過中間繼電器實(shí)現(xiàn)電隔離和信號(hào)耦合的，因此系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)自動(dòng)檢測瞬時(shí)水壓，并據(jù)此調(diào)節(jié)水泵的供水量，機(jī)組特性曲線接近管網(wǎng)損失特性曲線，節(jié)能效果顯著。由于變頻器對電機(jī)實(shí)行的是循環(huán)軟啟動(dòng)控制，啟動(dòng)平穩(wěn)無沖擊，提高了電機(jī)、水泵和管道等的壽命，減少了管網(wǎng)的泄露。此外由于系統(tǒng)無需高位水箱等設(shè)備，不但節(jié)省了投資，而且無水質(zhì)二次污染問題。 本系統(tǒng)還可以將生產(chǎn)、生活、消防等系統(tǒng)合為一體，投資省、占地少

6、、經(jīng)濟(jì)效益明顯。1.21.2 變頻調(diào)速在供水行業(yè)中的應(yīng)用變頻調(diào)速在供水行業(yè)中的應(yīng)用作為高性能的調(diào)速傳動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方法長期以來一直應(yīng)用廣泛。但是直流電動(dòng)機(jī)由于換向器和電刷維護(hù)保養(yǎng)很麻煩，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。使異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因?yàn)楦鞣N各樣的缺點(diǎn)沒有得到廠泛的應(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(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管1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(diǎn)，而且調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜

7、、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過二極管交流變成直流，再逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動(dòng)電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并自動(dòng)適應(yīng)變負(fù)荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)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(yùn)行方式是可節(jié)電 40%-60%,節(jié)水 15%-30%。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平分，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積

8、小、維護(hù)簡單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，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。 自從通用變頻器問世以來，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)，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。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)

9、生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)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(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)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(jī)控制，多品種

10、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(gè)逐步完善的發(fā)展過程，早期的2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(jì)簡易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。2 供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理2.12.1 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理全自動(dòng)變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)采用專用供水控制器控制變頻調(diào)速器，通過安裝在管網(wǎng)上的遠(yuǎn)傳壓力表，把水壓轉(zhuǎn)換

11、成電信號(hào)，通過接口輸入控制器內(nèi)置的 PID 控制器上，用以改變水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速器的輸出頻率將增大，水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大。當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，水泵恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上。反之當(dāng)用戶用水量少，管網(wǎng)壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速器的輸出頻率將降低，水泵轉(zhuǎn)速下降，供水量減少，使管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定壓力，這樣反復(fù)循環(huán)就達(dá)到了恒壓變量供水的目的。 水泵配電柜控制柜至用戶壓力信號(hào)壓力傳感器水池圖 2.1 供水系統(tǒng)原理圖供水系統(tǒng)的工作原理如圖 2.1 所示。由自來水管網(wǎng)或其它水源提供的水進(jìn)入蓄水池經(jīng)加壓水泵進(jìn)入用戶管網(wǎng)管路。通過壓力傳感器按提供網(wǎng)的壓力信號(hào)

12、，傳送給控制系統(tǒng)的PID，經(jīng) PID 運(yùn)算后輸出信號(hào)控制變頻器的輸出頻率，從而控制水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)而保持供水管道的壓力基本恒定。用戶用水量大時(shí)，管網(wǎng)管路壓力下降變頻器頻率就升高，水泵轉(zhuǎn)3速加快，反之頻率下降，水泵減速運(yùn)行，從而維持恒壓供水。當(dāng)用水量大于一臺(tái)水泵的最 大供水量時(shí)，通過 PLC 自動(dòng)切換電路工作再投入一臺(tái)水泵，根據(jù)最多用水量的大小可投入數(shù)臺(tái)水泵。在供水系統(tǒng)中，控制對象是水泵，控制目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓恒定，控制方法是壓力信號(hào)的反饋閉環(huán)控制。它的自動(dòng)控制原理圖見圖 2.2 。圖 2.2 變頻式恒壓供水自動(dòng)控制原理圖2.22.2 本系統(tǒng)總體介紹本系統(tǒng)總體介紹 本系統(tǒng)針對的用戶是自來水公司供水系

13、統(tǒng)和水廠、泵站等各種泵類電機(jī)的調(diào)速和控制，控制對象應(yīng)盡量做到通用型，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇主要立足于通用性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能效果，而對于特殊情況下的供水系統(tǒng)不在本系統(tǒng)控制范圍之列(事實(shí)上特殊供水系統(tǒng)也只是在通用系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上充分考慮到特殊性，最根本的還是在于一般系統(tǒng)的研制)。在本論文中，我們以四臺(tái)水泵為控制對象，建立一個(gè)模型，研制一種新型的控制系統(tǒng)使得水泵轉(zhuǎn)速跟隨用水量的變化而變化，實(shí)現(xiàn)變頻、恒壓、無級(jí)調(diào)速的供水系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)能、節(jié)水、充分利用設(shè)備、高可靠性、高自動(dòng)化程度的目的。如圖 2.3 所示，供水系統(tǒng)由四臺(tái)泵(二用二備)組成，由一臺(tái)可編程控制器和一臺(tái)變頻器切換控制任一臺(tái)電機(jī)調(diào)

14、速。水泵可變供電回路由工頻回路和變頻器提供的變頻回路組成，通過 PLC 和變頻器將各臺(tái)水泵按照一定的規(guī)律順序投入運(yùn)行和順序停止運(yùn)行，使整個(gè)的供水回路處于最佳的配置狀態(tài)。變頻器則具體的微調(diào)當(dāng)前水泵的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速變化跟隨管網(wǎng)壓力變化(實(shí)際上是跟隨用戶用水量的變化)。1 號(hào)泵2 號(hào)泵3 號(hào)泵4 號(hào)泵水泵切換電路變頻器PID壓力傳感器 PLC43 系統(tǒng)硬件的工作原理及硬件選擇3.13.1 PLCPLC 的工作原理及選擇的工作原理及選擇3.1.13.1.1 PLCPLC 的簡介的簡介PLC是以微機(jī)控制技術(shù)為基礎(chǔ)，通過編程，可以執(zhí)行諸如邏輯判斷，順序控以時(shí)，計(jì)數(shù)，運(yùn)算等功能，并通過數(shù)字或模擬I/O組件控制

15、機(jī)械設(shè)備。與傳統(tǒng)的繼電器控制盤相比，PLC控制系統(tǒng)體積小，可靠性高;更易使用和維護(hù)，且能在工廠環(huán)境下進(jìn)行編程;便于擴(kuò)充和修改功能，又具有向中央數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳遞信息的能力;通過接插件，所有輸入端點(diǎn)能直接和工業(yè)現(xiàn)場的開關(guān)，接點(diǎn)直接相連，所有輸出端點(diǎn)能直接驅(qū)動(dòng)繼電器、電磁閥、電機(jī)啟動(dòng)器的線圈等。它的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展時(shí)期。1.形成期(1970-1974年)早期的PLC采用小規(guī)模的IC構(gòu)成專用的邏輯處理芯片(CPU)，采用機(jī)器語言或匯編語言編程，僅有邏輯控制指令，控制點(diǎn)少，功能簡單，并沒有獲得廣泛重視。2.成熟期(1974-1978年)隨著單電源的8位處理器的出現(xiàn)，在小型化、高可靠性多功能及價(jià)格等

16、方面，PLC的研制和應(yīng)用水平有了飛速發(fā)展和提高。PLC開始具有了多個(gè)CPU，設(shè)置了定時(shí)器、計(jì)算器并具有了算術(shù)運(yùn)算功能。圖地址總線數(shù)據(jù)總線行程開關(guān)模擬量輸入繼電器觸點(diǎn)開關(guān)或傳感器地址總線控制總線照明電磁裝置電動(dòng)機(jī)其他執(zhí)行裝置或觸點(diǎn)數(shù)據(jù)總線編程單元輸 入 單 元中央存儲(chǔ)單元存 儲(chǔ) 器輸入輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)輸 出 單 元電源單元53.1 PLC結(jié)構(gòu)示意圖3.加速發(fā)展期(1978年以來)從70年代末到80年代，PLC的應(yīng)用和制造呈現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的趨勢。一方面研制出了高性能不同規(guī)模的PLC控制系統(tǒng)，開發(fā)了多種智能I/O模塊，充分吸收了計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分布式分級(jí)控制的PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。另一方面也逐一生產(chǎn)一般

17、機(jī)械加工邏輯控制而價(jià)格較為便宜的微小型PLC，對PLC普及應(yīng)用起了重要推動(dòng)作用。PLC的典型硬件系統(tǒng)構(gòu)成見圖3.1。3.1.23.1.2 PLCPLC的選擇的選擇可編程控制器（programmable logical controller，簡稱PLC）已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中，并且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中起著非常重要的作用。所以，對PLC的正確選擇是非常重要的。1.工作量這一點(diǎn)尤為重要。在自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初，就應(yīng)該對控制點(diǎn)數(shù)（數(shù)字量及模擬量）有一個(gè)準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，這往往是選擇PLC的首要條件，一般選擇比控制點(diǎn)數(shù)多10%-30%的PLC。（本設(shè)計(jì)中開關(guān)量16個(gè)，控制量6個(gè)，1個(gè)模擬量輸出，3個(gè)模

18、擬量輸入）2.工作環(huán)境工作環(huán)境是PLC工作的硬性指標(biāo)。自控系統(tǒng)將人們從繁忙的工作和惡劣的環(huán)境中解脫出來，就要求自控系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境，諸如溫度、濕度、噪音、信號(hào)屏蔽、工作電壓等，各款PLC不盡相同。一定要選擇適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境的產(chǎn)品。（該設(shè)計(jì)環(huán)境正常，故不用特殊型號(hào)）3.通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在PLC已不是簡單的現(xiàn)場控制，PLC遠(yuǎn)端通信已成為控制系統(tǒng)必須解決的問題。（故盡量選取比較常用的品牌）4.編程程序是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的“心臟” ，程序編制的好壞直接影響到整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)作。編程器及編程軟件有些廠家要求額外購買，并且價(jià)格不菲，這一點(diǎn)也需考慮在內(nèi)（要求有良好的編程軟件） 。5.可延性這里包括三個(gè)方

19、面含義：（1）產(chǎn)品壽命。大致可以保證所選擇的PLC的使用年限，盡量購買生產(chǎn)日期較近的產(chǎn)6品。（2）產(chǎn)品連續(xù)性。生產(chǎn)廠家對PLC產(chǎn)品的不斷開發(fā)升級(jí)是否向下兼容，這決定是否有利于現(xiàn)系統(tǒng)對將來新增加功能的應(yīng)用。（3）產(chǎn)品的更新周期。當(dāng)某一種型號(hào)PLC（或PLC模塊）被淘汰后，生產(chǎn)廠家是否能夠保證有足夠的備品（或備件）。這時(shí)應(yīng)考慮選擇當(dāng)時(shí)比較新型的PLC。 6.性價(jià)比由上面的的挑選規(guī)范，我挑選西門子公司的S7-200 CPU226作為本系統(tǒng)采用的PLC，它的具體性能如下。本機(jī)集成24輸入/16輸出共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)?？蛇B接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O 點(diǎn)。

20、13K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸。用于較高要求的控制系統(tǒng)，具有更多的輸入/輸出點(diǎn)，更強(qiáng)的模塊擴(kuò)展能力，更快的運(yùn)行速度和功能更強(qiáng)的內(nèi)部集成特殊功能。可完全適應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.23.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及選擇變頻調(diào)速系統(tǒng)原理及選擇3.2.13.2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介在變頻器沒有出現(xiàn)以前，調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速圖，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因，直流電動(dòng)機(jī)存在著很多缺點(diǎn)(諸如需要定期

21、更換電刷和換向器，維護(hù)保養(yǎng)困難，壽命短，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，難以制造大容量、高轉(zhuǎn)速、高電壓的直流電動(dòng)機(jī)等)，所以人們一直在尋找交流調(diào)速系統(tǒng)。而變頻器的出現(xiàn)剛好解決了這個(gè)問題。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的交流拖動(dòng)系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能，容易實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制，可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)，可以進(jìn)行電氣制動(dòng)，可以對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)，可以適應(yīng)各種工作環(huán)境，可以用一臺(tái)變頻器對多臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能的控制系統(tǒng)等等。特別是對于工業(yè)中大量使用的風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載來

22、說，通過變頻器進(jìn)行調(diào)速控制可代替?zhèn)鹘y(tǒng)上利用擋板和閥門進(jìn)行的風(fēng)量、流量和揚(yáng)程的控制，所以節(jié)能效果非常明顯。變頻調(diào)速的原理非常簡單，由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為7nsfn)1 (120式中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為異步電動(dòng)機(jī)磁極個(gè)數(shù)；s為轉(zhuǎn)差。所以，理論上說，只要改變f就能改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n。3.2.23.2.2 變頻調(diào)速控制方式變頻調(diào)速控制方式 常見的變頻調(diào)速模式有兩種，一種是開環(huán)控制，另一種是速度反饋閉環(huán)控制，如圖3.2所示。本系統(tǒng)根據(jù)恒壓的控制要求，采用的是PID調(diào)節(jié)方式(內(nèi)含在變頻器中) 的閉環(huán)控制。變 頻 器主控機(jī)器主控機(jī)器變 頻 器壓力傳感器水泵水泵閉環(huán)控制欠壓信號(hào)超壓

23、信號(hào)變頻器故障信號(hào)信號(hào)開環(huán)控制變頻器故障信號(hào)信號(hào) 圖3.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式3.2.33.2.3 變頻器的輸入輸出電路變頻器的輸入輸出電路本系統(tǒng)中變頻器的輸入信號(hào)有兩種，一種是控制信號(hào)，它包括PLC輸給的變頻器FWD信號(hào)BX信號(hào)和VI（12）電壓信號(hào)（0-5V），F(xiàn)WD信號(hào)BX信號(hào)由PLC輸出，控制變頻器的工作開關(guān);VI（12）控制變頻器頻率。另一種是輸入電源信號(hào)，本系統(tǒng)采用的三相380V的交流電源，三相電流輸入連接在端子L1/R, L2/S, L3/T上。采用三相輸入的話，則用主電路的電源端子L1/R, L2/S, L3/T通過線路保護(hù)用斷電器或帶漏電保護(hù)的斷路器連接至三相交流電源，不

24、需考慮連接相序。如果有條件的話，還可以在電源電路中串入一個(gè)電磁接觸器，這樣就可以保證變頻器保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)能切除電源和防止故障擴(kuò)大，以保證安全。盡量不要用主電路電源ON/OFF的方法控制變頻器的停止和運(yùn)行，應(yīng)該用控制電路端子8FWD、BX。變頻器的輸出信號(hào)也有兩種，一是送PLC的超壓信號(hào)、欠壓信號(hào)和變頻器故障信號(hào)這三個(gè)輸出控制信號(hào)，另一是送水泵的變頻器輸出電源信號(hào)。送PLC的超壓、欠壓信號(hào)由變頻器的Y1, Y2端子送出，Y1的內(nèi)部功能設(shè)定選為頻率檢測(FDT)功能，幅值為50Hz，滯后值為0.5Hz 。Y2的內(nèi)部功能設(shè)定選為0速度輸出功能，變頻器輸出頻率為0Hz時(shí)輸出ON信號(hào)。 控制面版變頻器故

25、障輸出欠壓信號(hào)超壓信號(hào)送信號(hào)送信號(hào)送0-5電壓信號(hào)接觸器電源 圖3.3 變頻器的I/O端點(diǎn)連接送PLC的變頻器故障信號(hào)我們選擇從Y3輸出，Y3的內(nèi)部功能設(shè)定選擇為報(bào)警功能，變頻器發(fā)生指定的故障時(shí)輸出信號(hào)。變頻器的輸出電源接接觸器，它給所有的工頻回路的接觸器都提供電源信號(hào)，但是具體的哪一臺(tái)接觸器接通由PLC控制。變頻器的輸出端子(U, V, W)按正確的相序連接至交流接觸器的輸入電源端子上。如果電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不對，則說明連接相序有錯(cuò)，則改變U、V, W中的任意兩相的接線。變頻器和電動(dòng)機(jī)(水泵)間配線很長時(shí)，由于線間分布電容產(chǎn)生較大的高頻電流，可能造成變頻器過電流跳閘.另外，漏電流增加，電流值指示精

26、度變差。對于本系統(tǒng)中的變頻器，變頻器和電動(dòng)機(jī)(水泵)之間的距離最好小于50米，如果配線很長時(shí)，則必須連接輸出側(cè)濾波器選件(OFL濾波器)。接線時(shí)還有一點(diǎn)需要注意的是，為了安全和減少噪聲，變頻器的接地端子G必須良好接地。為了防止電擊和火警事故，電氣設(shè)備的金屬外殼和框架均應(yīng)按照國家電氣規(guī)程要求接地。接地線要粗而短，變頻器系統(tǒng)應(yīng)連接專用接地極，及不要和別的系統(tǒng)串聯(lián)接地或共同接地（具體接法見圖3.3，在最后的程序中，因本人能力有限，故將報(bào)警裝置去除，在實(shí)際9應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)加入）。采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在異步電動(dòng)機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流

27、值(最大值)來選擇變頻器。當(dāng)運(yùn)行方式不同時(shí)，變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。該系統(tǒng)用一臺(tái)變頻器使多臺(tái)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)，對于一臺(tái)電機(jī)開始起動(dòng)后，再追加投入其他電機(jī)起動(dòng)的場合，此時(shí)變頻器的電壓、頻率已經(jīng)上升，追加投入的電機(jī)將產(chǎn)生大的起動(dòng)電流，因此，變頻器容量與同時(shí)起動(dòng)時(shí)相比需要大些。綜合上面因素，我們選擇佳靈JP6C-T9280系列變頻器。性能見表3.1。表 3.1 佳靈 JP6C-T9280 性能型號(hào)JP6C-T9280JP6C-T9280適用電機(jī)容量(kW)280

28、額定容量(KVA)400額定電流(A)520額定過載電流額定電流的150%1分鐘相數(shù) 電壓 頻率三相，380V至440V 50Hz/60Hz容許波動(dòng)電壓+10V -15%，頻率5%抗瞬時(shí)電壓降低310V以上可連續(xù)運(yùn)行，電壓從額定值降到310V以下時(shí)，繼續(xù)運(yùn)行15ms最高頻率50-400Hz可變設(shè)定基本頻率50-400Hz可變設(shè)定啟動(dòng)頻率0.5-60Hz可變設(shè)定載波頻率2-6KHz可變設(shè)定冷卻方式強(qiáng)制風(fēng)冷3.33.3 壓力傳感器的選壓力傳感器的選擇擇檢測元件的精度直接影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。通?？梢赃x用各種壓力傳感器檢測管網(wǎng)壓力。傳統(tǒng)的壓力傳感器有利用彈性元件的，如電感壓力傳感器、電容壓力傳感器等。

29、PMC 系列壓力傳感器的構(gòu)造與之不同，屬于一體化的高精度儀器。它采用電子陶瓷技術(shù)，10測量元件完全是固體形式。其工作原理是：使壓力直接作用于電子陶瓷膜片，膜片出現(xiàn)位移后所產(chǎn)生的電容量被與其同體的電子元件檢測、放大，最后轉(zhuǎn)換成420mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。PMC型傳感器具有如下特點(diǎn)：具有相當(dāng)強(qiáng)的抗沖擊和抗過載能力，過壓量達(dá)額定量程的百倍以上；由于壓力測量元件中不采用傳統(tǒng)的介質(zhì)物質(zhì)，所以，測量精度極高，且?guī)缀醪皇軠囟忍荻鹊挠绊懀徊捎妹}沖頻率調(diào)制方式傳輸信號(hào)，大大減少了現(xiàn)場干擾的影響，信號(hào)傳輸用普通導(dǎo)線完成，簡單方便；重量輕，體積小，安裝維護(hù)非常方便。我們選PMC133型壓力傳感器作為出水口端壓力檢測元

30、件，檢測泵出口附近管網(wǎng)內(nèi)壓力作反饋信號(hào)， 該元件可承受的相對壓力最大測量范圍達(dá)O-40MPa，最小測量范圍為O-lkPa，所需電源要求電壓為12530V，精度01，壓力傳感器將出水口的壓力信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為4-20mA DC 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到PLC（在該系統(tǒng)中，我選取0-500kPa）。3.43.4 水泵的選擇水泵的選擇選取2種型號(hào)的水泵，小泵為常開泵（能夠調(diào)節(jié)到工頻），大泵只能在變頻狀態(tài)下工作。其中，小泵為Y355M1-4，大泵為Y355-M2-4。參數(shù)見表3.2（按實(shí)際需要選取，我選了2種比較常用的型號(hào)）。表3.2 水泵性能參數(shù)表轉(zhuǎn)速流量揚(yáng)程效率汽蝕裕量軸功率(清水)配帶電機(jī)(Sm=1.2)Rpm

31、m3/hl/sm%mkW型號(hào) kW1100435.5121.063.750.04.0151.1Y355M1-4/220kW850511.0141.962.554.03.0161.1Y355M2-4/250kW3.53.5 鑒頻鑒相問題鑒頻鑒相問題3.5.13.5.1 大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻存在的問題大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻存在的問題11大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻工作原理如圖 3.4 所示，KN1、KN2 為交流接觸器，M 為圖 3.4 電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻原理圖水泵機(jī)。VVVF 是變頻器裝置，BX、FWD、CM 是變頻器的外控端子，當(dāng) FWDCM 接通時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng) FWDCM 斷開時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行停止；

32、當(dāng) BXCM 接通時(shí)，變頻器斷開所有輸出，電機(jī)處于自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式，變頻器正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，必需保證 BXCM 斷開。當(dāng) KN1斷開，KN2 吸合，水泵在變頻器驅(qū)動(dòng)下，從 0Hz 開始升頻（這一過程稱水泵電機(jī)軟起動(dòng)），當(dāng)變頻器頻率上升到 50Hz 后，如果系統(tǒng)水壓仍舊達(dá)不到壓力設(shè)定值時(shí)，自控系統(tǒng)將進(jìn)行水泵電機(jī)切換操作，斷開 KN2，吸合 KN1,使電機(jī)直接接入電網(wǎng)電壓下運(yùn)行，變頻器再對另一臺(tái)水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，并進(jìn)行調(diào)速以保證系統(tǒng)水壓穩(wěn)定在設(shè)定值。從上述過程可以看出，大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻的問題和自耦降壓起動(dòng)有些許類似之處，自耦降壓起動(dòng)是利用自耦變壓器，使電機(jī)在低電壓狀態(tài)時(shí)起動(dòng)，來達(dá)到降低起動(dòng)電流的目的；

33、變頻器拖動(dòng)電機(jī)軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流也很小，二者在起動(dòng)過程中，就減少電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的功效來說是相似的。但二者在接觸器的切換過程中卻存在本質(zhì)的差別，當(dāng)自耦降壓起動(dòng)的轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí)，通過接觸器的動(dòng)作切除自耦變壓器，切換過程前后電動(dòng)機(jī)的三相電源存在一致性，即切換前后加在電動(dòng)機(jī)每一相電源電壓盡管大小不等，但相位和頻率仍是一致的；而在變頻轉(zhuǎn)工頻的過程中，由于變頻器電壓輸出起始相位具有隨機(jī)性，它所輸出的三相電源和工頻電源并不一致，即使變頻器的輸出電壓頻率等于工頻電壓頻率，它輸出的三相電源和工頻電源的初始相位也不一致。由于這種相位不一致造成了大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻的問題和自耦降壓起動(dòng)問題的本質(zhì)不同，也直接導(dǎo)致大

34、12功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻的復(fù)雜性。正是由于變頻器電壓輸出起始相位具有隨機(jī)性，變頻器輸出的三相電源和工頻電源的初始相位不一致，直接導(dǎo)致了電機(jī)切換時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流具有隨機(jī)性，有時(shí)會(huì)遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流，在現(xiàn)場生產(chǎn)中表現(xiàn)為電機(jī)的電流或電壓過載，而使空氣開關(guān)跳閘，燒毀熔斷器，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)設(shè)備。變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視，在認(rèn)識(shí)上還存在著一些誤區(qū)：一種看法是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源，因而可以將電動(dòng)機(jī)在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認(rèn)為由于變頻器自身的設(shè)計(jì)原理，是不允許變頻器在運(yùn)行中進(jìn)行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，有關(guān)變頻器在拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的文章中，碰到變頻器切換問

35、題時(shí)，不作具體描述；用簡單的一句“切換到電網(wǎng)運(yùn)行”了之。即使有些文章在切換問題上進(jìn)行了一些探索，但也沒有將這個(gè)問題的本質(zhì)揭示出來。 3.5.23.5.2 鑒頻鑒相器在大功率電機(jī)平穩(wěn)切換中應(yīng)用鑒頻鑒相器在大功率電機(jī)平穩(wěn)切換中應(yīng)用針對上述問題，在理論分析的基礎(chǔ)上，我們采用以下方法成功地解決了這一技術(shù)難題，并且進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。在變頻轉(zhuǎn)工頻的過程中，引入鑒頻鑒相控制器，對工頻電源和變頻輸出電源進(jìn)行相位檢測。當(dāng)二者相位頻率完全一致時(shí)，對電機(jī)實(shí)現(xiàn)從變頻到工頻運(yùn)行的無沖擊切換。1.鑒頻鑒相控制器的選用鑒頻鑒相控制器是采用單片機(jī)控制的智能相位頻率跟蹤控制器，能準(zhǔn)確跟蹤變頻器輸入輸出的相序、相位和頻率，保證變頻

36、器輸入輸出相序、相位頻率一致時(shí)，對電機(jī)實(shí)現(xiàn)從變頻到工頻運(yùn)行的無沖擊切換。現(xiàn)場選用的鑒頻鑒相控制器具有相位跟蹤準(zhǔn)確，技術(shù)先進(jìn)，工作可靠，能顯著延長電控元件機(jī)電機(jī)水泵等設(shè)備的使用壽命等特點(diǎn)。 2.鑒頻鑒相控制器的工作原理變頻器的三相輸入和三相輸出作為智能控制器的輸入信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過整形，放大電路，以及頻率、相位的跟蹤電路處理，進(jìn)入單片機(jī)。經(jīng)由軟件計(jì)算判斷后，單片機(jī)發(fā)出指令完成相應(yīng)的動(dòng)作，在顯示單元顯示相應(yīng)的輸入輸出頻率，指示燈也指示各個(gè)狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸入輸出相位、頻率一致時(shí)，控制器可分別給出集電極開路輸出信號(hào)（或繼電器輸出信號(hào)） ；當(dāng)變頻器輸入輸出缺相、反序時(shí)，控制器有故障代碼和指示燈同時(shí)報(bào)警，用戶

37、據(jù)此作相位判斷。13圖 3.5 鑒頻鑒相比較器和 PLC 擴(kuò)展模塊的接線圖當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到 50Hz 時(shí)，先由鑒頻鑒相控制器檢測工頻電源和變頻電源相位是否一致，若相位一致，EM235 的 AIW6 端口接受控制器 3、4 端子的 0V 電壓信號(hào)，經(jīng)由PLC 比較計(jì)算，PLC 執(zhí)行一系列動(dòng)作,M3.0 閉合， BX-CM（K1）接通，切斷變頻器的輸出，使變頻器的輸出電流為零。經(jīng) T33 瞬間延時(shí)后，迅速切斷 KN2 和變頻器端子 FWD-CM（K2） ，在此狀態(tài)下，切斷N2 既保證了在切換時(shí)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

38、吸合 KN1，如此便實(shí)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(hào)，送入 EM235的 AIW6 口，經(jīng) PLC 比較計(jì)算，并不完成切換動(dòng)作，從而保證變頻器和水泵電機(jī)的安全運(yùn)行。3.63.6 控制電路控制電路因?yàn)榭刂齐娐穲D具有相似性，故只介紹下面3個(gè)就能解釋整個(gè)電路圖。圖3.6 指示燈控制電路如圖3.6為1號(hào)泵變頻指示燈。即當(dāng)1號(hào)泵處于變頻狀態(tài)時(shí)，燈E1-2亮。圖3.7 工頻變頻切換電路14如圖3.7為1號(hào)水泵的變頻工頻切換電路。當(dāng)JNW-1接通時(shí)，RJ2-1導(dǎo)通，且JNV1不通，1號(hào)泵就會(huì)變頻運(yùn)行。其中，RJ2-1為熱繼電器，作為1號(hào)水泵過載保護(hù)。KN1、

39、KN2作為自鎖保護(hù)裝置，當(dāng)JNW1導(dǎo)通，則KN1得電，于是下面的KN1常閉開關(guān)斷路。反之KN2也一樣。這樣自鎖能保證1號(hào)水泵只能工頻變頻選其一.不會(huì)發(fā)生既連接了變頻又連接了工頻的錯(cuò)誤。圖3.8 蝶閥控制電路圖3.8為1號(hào)蝶閥的開閥控制圖，即當(dāng)該電路得電時(shí)，蝶閥開閥。JF1接通，且KV2-2 ZDK2-1不得電時(shí)，蝶閥開始關(guān)閥。其中KV2-1、KV2-2構(gòu)成自鎖裝置，使得蝶閥只能處于開閥和關(guān)閥中的一種狀態(tài)。154 系統(tǒng)軟件開發(fā)本系統(tǒng)的程序開發(fā)主要是PLC的程序開發(fā)，我們采用的是根據(jù)系統(tǒng)的控制流程和控制目標(biāo)，在計(jì)算機(jī)上先編輯好PLC軟件，然后傳給PLC的方法，所用軟件是廠家提供的STEP 7-Mi

40、cro/WIN 32版。這是整個(gè)供水系統(tǒng)軟件開發(fā)的重點(diǎn)，系統(tǒng)的重要功能實(shí)現(xiàn)和順序控制都依靠于它，它的開發(fā)好壞直接影響對了整個(gè)控制系統(tǒng)的質(zhì)量好壞和功能實(shí)現(xiàn)，下面就詳細(xì)敘述。4.14.1 PLCPLC 編程簡介編程簡介4.1.14.1.1 PLCPLC 應(yīng)用的開發(fā)步驟應(yīng)用的開發(fā)步驟PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)，一般應(yīng)按下述幾個(gè)步驟進(jìn)行，具體流程見圖4.1。圖4.1 PLC應(yīng)用的系統(tǒng)開發(fā)流程圖1.熟悉被控制對象首先要全面詳細(xì)的了解被控對象的機(jī)械結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝過程，了解機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)內(nèi)容、運(yùn)動(dòng)方式和步驟，歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)(功能)流程圖。2.明確控制任務(wù)與設(shè)計(jì)要求16要了解工藝過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電氣執(zhí)行元件之間

41、的關(guān)系和對電控系統(tǒng)的控制要求.例如機(jī)械部件的傳動(dòng)與驅(qū)動(dòng)，液壓、氣動(dòng)的控制，儀表、傳感器的連接與驅(qū)動(dòng)等。歸納出電氣執(zhí)行元件的動(dòng)作節(jié)拍圖。電控系統(tǒng)的根本任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)節(jié)拍圖。以上兩個(gè)步驟得到的圖、表，綜合而完整的反映了被控對象的全部功能和對被控系統(tǒng)的全部要求，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)所在，必須仔細(xì)分析和掌握。3.制定電氣控制方案 根據(jù)生產(chǎn)工藝和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制要求，確定電控系統(tǒng)的工作方式，例如全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、單機(jī)運(yùn)行和多機(jī)聯(lián)線運(yùn)行等。還要確定電控系統(tǒng)應(yīng)有的其他功能，例如故障診斷與顯示報(bào)替、緊急情況的處理、管理功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能等.4.確定電控系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)通過研究工

42、藝過程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各個(gè)步驟、各種狀態(tài)、各種功能的發(fā)生、維持、結(jié)束、轉(zhuǎn)換和其他相互關(guān)系，來確定各種控制信號(hào)和各種檢測反饋信號(hào)、相互的轉(zhuǎn)換和聯(lián)系信號(hào)。并且確定哪些信號(hào)需要輸入PLC，哪些信號(hào)需要PLC輸出或者哪些負(fù)載要由PLC驅(qū)動(dòng)，分類統(tǒng)計(jì)出各種輸入輸出量的性質(zhì)與參數(shù)。 5.PLC的選型和硬件配置根據(jù)以上的各個(gè)步驟所得到的結(jié)果，選擇合適的PLC型號(hào)井確定各種硬件配置。本系統(tǒng)選定了西門子公司的S7-200 CPU226。6.PLC元件的編號(hào)分配對各種輸入輸出信號(hào)占用的PLC輸入輸出端點(diǎn)及其其他元件進(jìn)行編號(hào)分配，并設(shè)計(jì)出PLC的外部設(shè)計(jì)圖口。7.程序開發(fā)用PLC廠家提供的專用軟件包按照特定的規(guī)則，開發(fā)

43、出梯形圖程序或語句表程序。8.模擬運(yùn)行與調(diào)試程序?qū)㈤_發(fā)好的程序傳入PLC中，在逐條檢查與驗(yàn)證，并修改開發(fā)時(shí)的語法、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，然后可以在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行模擬運(yùn)行和調(diào)試程序，觀察在各種可能情況下各個(gè)輸入量、輸出量之間的變化關(guān)系是否符合設(shè)計(jì)要求。發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改開發(fā)和己傳送到PLC中的內(nèi)容，直到完全滿足工作循環(huán)圖或狀態(tài)流程圖的要求。在進(jìn)行程序開發(fā)和模擬調(diào)試的同時(shí)，可以平行的進(jìn)行電控系統(tǒng)的其他部分工作，例如PLC外部電路和電氣控制柜、控制臺(tái)等的設(shè)計(jì)、裝配、安裝和接線工作.179.現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試 完成以上各種工作后，即可將己初步調(diào)試好的程序傳送到現(xiàn)場使用的PLC存儲(chǔ)器中，PLC接入實(shí)際輸入信號(hào)和實(shí)際負(fù)載，進(jìn)行

44、現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試，及時(shí)解決調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，直到完全滿足設(shè)計(jì)要求，即可交付使用。4.1.24.1.2 PLCPLC 的工作方式的工作方式PLC采取循環(huán)掃描的工作方式，其工作過程簡圖如圖4.2所示。這個(gè)過程可分為內(nèi)部處理、通信服務(wù)、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段，整個(gè)過程掃描一次所圖4.2 掃描過程需的時(shí)間稱為掃描周期。在內(nèi)部處理階段，PLC檢查CPU模塊內(nèi)部硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時(shí)器，以及完成一些其它的內(nèi)部處理。在圖4.2掃描過程通信服務(wù)階段PLC與帶微處理器的智能裝置通信，響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容.在PLC處于停止運(yùn)行(STOP)狀態(tài)時(shí)，只完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。在

45、RUN時(shí)，要完成全部的工作。 1.輸入處理階段PLC在輸入處理階段，以掃描方式順序讀入所有輸入端的通/斷狀態(tài)，并以此狀態(tài)存入輸入輸出印象寄存器。接著轉(zhuǎn)入程序的執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行時(shí)間，即使輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化，輸入輸出印象寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，只有在下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段才能被讀入。2.程序執(zhí)行階段PLC在程序執(zhí)行階段，按先左后右、先上后下的步序，逐條執(zhí)行程序指令，從輸入印象寄存器和其它元件印象寄存器讀出有關(guān)元件的通/斷狀態(tài)。 根據(jù)用戶程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入有關(guān)的元件印象寄存器中。即對每個(gè)元件來說，元件印象寄存器中的內(nèi)容會(huì)隨著程序的進(jìn)程而變化。3.處理階段 在所有的指令執(zhí)

46、行完畢后，將輸出印象寄存器(即Y寄存器)的通/斷狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路、驅(qū)動(dòng)功率放大電路、輸出端子，向外輸出控制信號(hào)，這才是PLC的實(shí)際輸出。內(nèi)部處理通信服務(wù)輸入處理程序執(zhí)行輸出處理18PLC的掃描既可以按照固定的順序進(jìn)行，也可以按用戶程序的指定的可變順序進(jìn)行。這不僅因?yàn)橛械某绦虿恍枰繏呙枰淮尉蛨?zhí)行一次，而且也因?yàn)樵谝粋€(gè)大的控制系統(tǒng)中要處理的I/O點(diǎn)數(shù)比較多，通過安排不同的組織模塊，采用分時(shí)分批的掃描辦法，可縮短循環(huán)掃描的周期和提高系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)響應(yīng)性。順序掃描的工作方式簡單直觀，簡化了程序的設(shè)計(jì)，并為PLC的可靠性運(yùn)行提供了保障。一方面，所掃描到的功能經(jīng)解算后，

47、其結(jié)果馬上就可以被后面要掃描到的邏輯解算所利用;另一方面，還可以通過CPU內(nèi)部設(shè)定的監(jiān)視定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時(shí)間，診斷CPU內(nèi)部故障。以避免程序異常運(yùn)行而造成的不良影響。由PLC的工作過程可見，在PLC的程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會(huì)發(fā)生變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能變改變.暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號(hào)，也需要等到一個(gè)循環(huán)周期結(jié)束后，CPU集中將這些輸出信號(hào)全部輸送輸出鎖存器，這才成為實(shí)際的CPU輸出。因此，全部的輸入、輸出狀態(tài)的改變，就需要一個(gè)掃描周期。掃描周期是其一個(gè)比較重要的指標(biāo)，一般為幾毫秒至幾十毫秒.PLC掃描時(shí)間取決于程序的長短

48、和掃描速度。因?yàn)镻LC的輸入處理階段和輸出處理階段所需時(shí)間一般很短，通常只要幾毫秒。由此可見，PLC的掃描時(shí)間對于一般的工業(yè)設(shè)備(改變狀態(tài)的時(shí)間約為幾秒以上)通常是沒什么影響的。4.1.34.1.3 S7-200S7-200 編程語言和程序結(jié)構(gòu)編程語言和程序結(jié)構(gòu)PLC 為用戶提供了完整的編程語言，以適應(yīng)編制用戶程序的需要。PLC 提供的編程語言通常有以下幾種：梯形圖、指令表、功能圖和功能塊圖。1.梯形圖(LAD)梯形圖(LAD)編程語言是從繼電器控制系統(tǒng)原理圖的基礎(chǔ)上演變而來的。PLC梯形圖與繼電器控制系統(tǒng)梯形圖的基本思想是一致的，只是在使用符號(hào)和表達(dá)方式上有一定區(qū)別。梯形圖的一個(gè)關(guān)鍵概念是“

49、能流”(Power Flow)。如果有“能流”從左至右流向線圈，則線圈被激勵(lì)。如沒有，則線圈末被激勵(lì)?！澳芰鳌币酝ㄟ^被激勵(lì)(ON)的常開接點(diǎn)和未被激勵(lì)(OFF)的常閉接點(diǎn)自左向右流?！澳芰鳌痹谌魏螘r(shí)候都不會(huì)通過接點(diǎn)自右向左流。在梯形圖中，觸點(diǎn)代表邏輯“輸入”條件，如開關(guān)、按鈕、內(nèi)部條件等；線圈通常代表邏輯“輸出”結(jié)果，如燈、電機(jī)接觸器、中間繼電器等。對S7200 PLC來說，還有一種輸出“盒”，它代表附加的指令，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和功能指令等。梯形圖語言簡單明了，易于理解，是所有編程語言的首選。2.指令表(STL)19指令表(STL)編程語言類似于計(jì)算機(jī)中的助記符語言，它是可編程控制器最基礎(chǔ)的編

50、程語言。所謂指令表編程，是用一個(gè)或幾個(gè)容易記憶的字符來代表可編程控制器的某種操作功能。3.順序功能流程圖(SFC)順序功能流程圖(SFC)編程是一種圖形化的編程方法，亦稱功能圖。使用它可以對具有并發(fā)、選擇等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行編程，許多PLC都提供了用于SFC編程的指令。4.功能塊圖(FBD)S7200 的 PLC 專門提供了 FBD 編程語言，利用 FBD 可以查看到像普通邏輯門圖形的邏輯盒指令。它沒有梯形圖編程器中的觸點(diǎn)和線圈，但有與之等價(jià)的指令，這些指令是作為盒指令出現(xiàn)的，程序邏輯由這些盒指令之間的連接決定。也就是說，一個(gè)指令(例如AND 盒)的輸出可以允許另一條指令(例如定時(shí)器)，這樣可

51、以建立所需要的控制邏輯。這樣的連接思想可以解決范圍廣泛的邏輯問題。FBD 編程語言有利于程序流的跟蹤，但在目前使用較少。在編程語言的選擇上，具體是用梯形圖編程還是語句表編程或使用功能圖編程，這主要取決于以下幾點(diǎn)： 有些 PLC 使用梯形圖編程不是很方便，則可用語句表編程，但梯形圖比語句表直觀。經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可用語句表直接編程，就像使用匯編語言一樣。本課題中，選擇用梯形圖作為編程語言。4.1.44.1.4 編程軟件基本功能編程軟件基本功能STEP7Micro/WIN 32 的基本功能是協(xié)助用戶完成開發(fā)應(yīng)用軟件的任務(wù)，例如創(chuàng)建用戶程序、修改和編輯原有的用戶程序，編輯過程中編輯器具有簡單語法檢查功能

52、。同時(shí)它還有一些工具性的功能，例如用戶程序的文檔管理和加密等。此外，還可直接用軟件設(shè)置 PLC 的工作方式、參數(shù)和運(yùn)行監(jiān)控等。程序編輯過程中的語法檢查功能可以提前避免一些語法和數(shù)據(jù)類型方面的錯(cuò)誤。梯形土中的錯(cuò)誤處的下方自動(dòng)加紅色曲線，語句表中錯(cuò)誤前有紅色叉，且錯(cuò)誤處的下方加紅色曲線。軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以在聯(lián)機(jī)工作方式（在線方式）下進(jìn)行，部分功能的實(shí)現(xiàn)也可以在離線工作方式下進(jìn)行。聯(lián)機(jī)方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與 PLC 連接，此時(shí)允許兩者之間做直接通信。20離線方式：有編程軟件的計(jì)算機(jī)與 PLC 斷開連接，此時(shí)能完成大部分基本功能。如編程、編譯和調(diào)試程序系統(tǒng)組態(tài)等。兩者的主要區(qū)別是：聯(lián)機(jī)方式下可直接

53、針對相連的 PLC 進(jìn)行操作，如上裝和下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等；而離線方式下不直接與 PLC 聯(lián)系，所有程序和參數(shù)都暫時(shí)存放在磁盤上，等聯(lián)機(jī)后再下載到 PLC 中。4.1.54.1.5 PLCPLC 接線圖接線圖圖4.3 PLC接線圖如圖所示，總共有24個(gè)輸入數(shù)字量I/O口，其中的SAN1、SAN2、SAN3、SAN4、SAN5、SAN6為輸入開關(guān)；總共有16個(gè)輸出數(shù)字量I/0口，JNW1、JNW2、JNV1、JNV2、JNV3、JNV4、JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7、JF8、FWD、BX為PLC控制的開關(guān)量。PLC可以增加數(shù)字量輸出擴(kuò)展模塊，假如該系統(tǒng)還要增加數(shù)字量

54、輸出的話，可以增加一個(gè)模塊。這樣也吻合數(shù)字量輸出I/O口要預(yù)留10-30%的條件。EM235為模擬量輸入輸出模塊，其中A+端、A-端接壓力傳感器，接受4-20mA電流信號(hào)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入符合CPU標(biāo)準(zhǔn)要求的信號(hào)。B+端、B-端接變頻器頻率信號(hào)，接受0-5V電壓，輸入同樣符合CPU標(biāo)準(zhǔn)要求的信號(hào)。C+端、C-端接鑒頻鑒相比較器，信號(hào)只有0伏和5伏兩種狀態(tài)，我依然把他看作模擬量。當(dāng)輸入為0時(shí)，變頻器的輸出頻率相位和電網(wǎng)的頻率相位一致，能進(jìn)行工頻轉(zhuǎn)變頻和變頻轉(zhuǎn)工頻的切換。輸出為5V時(shí)，不能進(jìn)行工頻21轉(zhuǎn)變頻或變頻轉(zhuǎn)工頻的切換。4.1.64.1.6 恒壓供水的工藝流程恒壓供水的工藝流程系統(tǒng)開始運(yùn)行

55、之前，應(yīng)先把管壓參數(shù) SP 賦給 PLC。按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)行，PLC 給變頻器 FWD 信號(hào)，然后判斷變頻器能否工作正常，正常的話采用全自動(dòng)變頻恒壓控制方式?，F(xiàn)在假設(shè)變頻器工作正常，系統(tǒng)開始運(yùn)行，水泵 1 變頻零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，待運(yùn)轉(zhuǎn)正常后壓力傳感器開始采樣，隨著 PLC 的不斷掃描，系統(tǒng)不斷輸入管壓信號(hào)的采樣結(jié)果，采樣結(jié)果通過模擬輸入輸出單元將模擬輸入值轉(zhuǎn)換為 PLC 可以接受的數(shù)字信號(hào)，與目標(biāo)值作比較，將偏差調(diào)整為零，也就是提高或降低水泵轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)水壓達(dá)到目標(biāo)值。如果一臺(tái)水泵額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行仍不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，將水泵 1 切換到工頻態(tài)運(yùn)行，延時(shí)后變頻器的控制對象切換到水泵 2，同時(shí)

56、保持水泵 1 維持工頻運(yùn)行，水泵 2 從零轉(zhuǎn)速開始運(yùn)行，過程如上。泵 3、泵 4 的工作情況也是如此。在該種運(yùn)行方式下，系統(tǒng)大部分時(shí)間是工作于其中一臺(tái)泵變頻運(yùn)行進(jìn)行微調(diào)，其它泵或工頻或停止的狀態(tài)本系統(tǒng)為 2 組水泵輪流工作，2 組水泵的選擇由人工直接操作。因?yàn)? 組水泵的原理型號(hào)相同，所以下面以水泵 1 組為例介紹恒壓供水的工藝流程。流程圖見圖 4.4。 該系統(tǒng)的主要運(yùn)行過程如下：1.系統(tǒng)啟動(dòng)按下 SAN1 按鈕，系統(tǒng)水泵 1 組開始啟動(dòng)。首先將水泵 1 組的兩個(gè)碟閥關(guān)閉。即 JF1和 JF3 置 1，延時(shí) 1 秒鐘，確定蝶閥關(guān)閉后接通 1 號(hào)水泵變頻開關(guān)。隨后開變頻器，即FWD 置 1。當(dāng)變

57、頻器 FWD 端置 1 時(shí)，變頻器將正轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)且頻率逐漸上升。當(dāng)頻率到達(dá) 50Hz時(shí)，水泵已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，延時(shí) 4S，開碟閥 1，即將 JF1 置 0、JF2 置 1。隨后 PLC 的 PID調(diào)節(jié)將控制變頻器頻率從而達(dá)到恒壓的效果。2.變頻轉(zhuǎn)工頻變頻轉(zhuǎn)工頻的情況只可能發(fā)生在 1 號(hào)水泵。首先要進(jìn)行條件判定，即只有當(dāng) 1 號(hào)水泵處于變頻狀態(tài)時(shí)才可能有變頻轉(zhuǎn)工頻現(xiàn)象（這在程序中用觸點(diǎn)來確定） 。然后，必須 1 號(hào)水泵已經(jīng)到了工作極限（程序中用 VD208 表示即 50Hz）且壓力依然小于設(shè)定值時(shí)才會(huì)出現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)工頻的現(xiàn)象（這在程序中用條件判定來確定，即 PID 計(jì)算結(jié)果 VD250 大于VD208） 。當(dāng)上述條件符合時(shí)，不能馬上切換到工頻，還要進(jìn)行相位比較，當(dāng)相位一致時(shí)，才能切換（程序中由鑒頻鑒相器來判斷，鑒頻鑒相器輸出為 0 時(shí)，頻率相位都相同,具體見 3.6 章） 。具體切換過程是關(guān)變頻器然后馬上關(guān)閉 1 號(hào)水泵變頻開關(guān)再然后接通工頻開關(guān)。切換過程中應(yīng)該有短時(shí)間的延時(shí)（程序中延時(shí)為 0.1S） 。22隨后，因該馬上將 2 號(hào)水泵變頻開關(guān)接通，然后開變頻器，隨后按照（1）啟動(dòng)流程的介紹來啟動(dòng) 2