【正文】 么流量Q=ＶＳ，Ｖ是流動(dòng)速度，S為橫截面面積。流量的單位一般為L(zhǎng)/s。揚(yáng)程H：泵把單位液體提升的高度叫做泵的揚(yáng)程，單位：m液柱。揚(yáng)程的變化直接使泵的流量發(fā)生變化[6]。泵的揚(yáng)程分為吸入揚(yáng)程和排出揚(yáng)程。把液體從容器中吸入到泵內(nèi)的揚(yáng)程叫吸入揚(yáng)程。吸入揚(yáng)程包括吸入高度和吸入管路的阻力損失兩部分，公式為：H吸=H吸高+H吸損。把液體從泵排到另一個(gè)容器的揚(yáng)程叫排出揚(yáng)程。排出揚(yáng)程包括排出高度和排出管路阻力損失兩部分，公式為：H排=H排高+H排損。泵的揚(yáng)程包括吸入揚(yáng)程和排出揚(yáng)程，公式為：H=H吸+H排= H吸高+H吸損+ H排高+H排損。自吸泵的揚(yáng)程可用真空表檢測(cè)，排出揚(yáng)程可用壓力表檢測(cè)。因此泵的實(shí)際揚(yáng)程是：H=?h+P表P真ρG+V2排V2吸2G (21)式21中P表——泵排出口壓力表的讀數(shù)，Pa；P真——泵吸入口真空表的讀數(shù)，Pa；U吸——泵吸入口測(cè)量點(diǎn)的讀數(shù)，m/s；U排——泵排出口測(cè)量點(diǎn)的流速，m/s；?h——泵吸入口和排出測(cè)量點(diǎn)的高差，m：ρ液體的密度，kg/m3；G重力加速度，m/s2.在實(shí)際中，壓力表與真空表安裝高度差很小，可忽略不計(jì)?h=0；泵的吸入管徑與排出管徑一般情況下相等或相差不大，則U吸=U排，泵的揚(yáng)程與壓力表和真空表讀數(shù)的關(guān)系可簡(jiǎn)寫(xiě)成下式[7]：H=P表P真ρG (22) 油泵的基本特性曲線油泵是生產(chǎn)生活中，不可或缺的電力設(shè)備，泵的選擇直接影響到生產(chǎn)成本和效率。因此，泵的性能研究變得格外重要，根據(jù)泵的特性曲線比較泵的揚(yáng)程，功率和泵的總效率，作為選泵的依據(jù)。泵的特性曲線可用下列三個(gè)函數(shù)關(guān)系表示揚(yáng)程與流量之間函數(shù)：H=f1（Q）；軸功率與流量之間的函數(shù)：N=f2（Q）；效率與流量之間的函數(shù)：h=f3(Q) ； 泵的特性曲線從曲線圖可以就看出，自吸泵的揚(yáng)程在一定流量范圍內(nèi)是隨流量的增大而減少的，曲線比較陡峭表示適用于揚(yáng)程變化范圍大而流量不能變化太大的場(chǎng)合；軸功率隨著流量的增大而減少，顯然，流量為0時(shí)，軸功率為最大；流量和效率曲線類(lèi)似拋物線，開(kāi)口向下，該曲線的最高點(diǎn)，效率最高，該點(diǎn)為自吸泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)，及最佳工況點(diǎn)。該曲線的作用是泵以一定的流量點(diǎn)，都可以在曲線上找出一組與其相對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程、軸功率、效率，這一組參數(shù)稱(chēng)為工作狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)工況或工況點(diǎn)，一般泵的額定參數(shù)就是與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)相重合或相接近，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)和最佳工況點(diǎn)相重合或很接近。在實(shí)際的選效率區(qū)間運(yùn)行，既能保證泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又可以節(jié)約電能。 油泵的工況點(diǎn)泵的正常工況點(diǎn)和額定工況點(diǎn)在額定工況點(diǎn)下的效率相對(duì)較高，額定工況點(diǎn)是廠家設(shè)定的工況點(diǎn)，但是我們?cè)谠O(shè)計(jì)使用中不一定達(dá)到，或者超過(guò)這個(gè)工況點(diǎn)都是有可能的，因此一般規(guī)定一個(gè)范圍，稱(chēng)為泵的高效區(qū)。此區(qū)通常為最高效率的92%左右，而這就是泵的正常工況點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)符合75%～105%,根據(jù)工藝工況，將有一個(gè)最合適的壓力、流量和揚(yáng)程。實(shí)際運(yùn)行的工況時(shí)油泵性能曲線圖，根據(jù)實(shí)際，設(shè)計(jì)揚(yáng)程與流量，這個(gè)點(diǎn)就是正常工況點(diǎn)。油泵一般運(yùn)行在一個(gè)正常的范圍內(nèi)，其實(shí)際運(yùn)行還受到泵的安裝，管道的安裝及長(zhǎng)度，管徑以及實(shí)際揚(yáng)程等一系列因素的影響。 變頻調(diào)速分析及供油系統(tǒng)的理論模型 變頻調(diào)速的原理變頻器其原理便是先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)，即交直交的控制方式。從電機(jī)學(xué)可知，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：n=ns1s=ns△n=60fsnp△n (23)式23中，np為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；fs為電動(dòng)機(jī)定子供電頻率；ωs=2πfs為定子供電角頻率（角速度）；s=nsnns=ωsωωs=ωs1np為轉(zhuǎn)差率，其中，ns=60fsnp=60ωs2πnp為同步轉(zhuǎn)速，ωs1=ωsω為轉(zhuǎn)差角頻率，穩(wěn)態(tài)速降?n=sns與負(fù)載有關(guān)[8]。由式可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率fs，就可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可以連續(xù)方便地改變運(yùn)送介質(zhì)的流量。泵的轉(zhuǎn)速n、流量Q、壓力P、以及軸功率H具有如下關(guān)系：Q∝n, P∝nH∝n3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可方便地改變泵的出水量，可以有效保證期望的工況，降低系統(tǒng)的電動(dòng)損耗。 工況點(diǎn)調(diào)節(jié)當(dāng)油泵的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，其流量特性曲線也會(huì)發(fā)生變化。 流量特性及管路特性曲線，3為nnn3對(duì)應(yīng)的三條流量特性曲線，且n1n2n3。從曲線圖中可以分析出流量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，H越大。在管路特性曲線B的情況下，減少油泵轉(zhuǎn)速，則工作點(diǎn)C1將下移到C2或C3，流量也相應(yīng)的由Q1減到Q2或Q3。這種方案從能耗的角度來(lái)說(shuō)，是最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率最高的調(diào)速方式[9]。工況點(diǎn)調(diào)節(jié)也可以通過(guò)改變管路特性曲線的方法，即通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的大小。泵的壓頭和流量有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)速n1不變的情況下，將閥的開(kāi)度加大，其管路特性曲線變成B2,工作點(diǎn)從C1移到C4，流量從Q1移到Q4。這種方案，控制閥一般安裝在泵的出口管線上，簡(jiǎn)單可行，應(yīng)用范圍廣，但是這種方案，總的機(jī)械效率低，特別是在閥門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，閥門(mén)上的壓降較大，對(duì)于大功率泵，損耗的功耗相當(dāng)大，因此是不經(jīng)濟(jì)的。 節(jié)能分析首先，先提一下與節(jié)能相關(guān)的詞——利用率舉個(gè)例子，一個(gè)抽水泵工頻條件下運(yùn)行一小時(shí)，去給一棟樓供水，但是這臺(tái)抽水泵功率太大了，抽出去的水這棟樓里用不了。實(shí)際的做法便是再抽水泵的出水口加上一個(gè)擋板，這個(gè)擋板擋住了水流，這棟樓需要多少水就把擋板開(kāi)到多大，這樣一來(lái)，很多能量便浪費(fèi)在擋板上了。如果去掉這個(gè)擋板，給抽水泵加上個(gè)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)抽水泵的速度，速度越低越省電，這樣能量就節(jié)省下來(lái)了，而不是白白浪費(fèi)在擋板上，這樣就能達(dá)到節(jié)能的效果。供油泵是生產(chǎn)運(yùn)行中能耗較大的電力設(shè)備，在正常應(yīng)用中，都是通過(guò)控制供油泵出口的循環(huán)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)供油的流量和壓力，不僅造成了大量的能源浪費(fèi)在閥門(mén)上，而且油流量的增加致使管線油溫快速上升，天氣溫度較高時(shí)，還會(huì)造成很大安全隱患。變頻器對(duì)過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路及電路失速都能可靠接地保護(hù)。油泵應(yīng)用變頻器，即可提高工效，又可節(jié)約用電，保護(hù)電機(jī)及設(shè)備。其應(yīng)用范圍將大大的增加。 恒壓供油系統(tǒng)的理論模型 恒壓控油控制原理框圖變頻恒壓供油將管網(wǎng)的油壓傳遞給S7300，S7300根據(jù)設(shè)定的壓力值讓實(shí)際壓力跟隨其變化，以達(dá)到恒壓供油的目的。當(dāng)壓力偏離平衡狀態(tài)而上升時(shí)，將壓力的變化轉(zhuǎn)換為膜片裝置的形變程度，壓力變送器將其轉(zhuǎn)化為電流變化量的上升，作為測(cè)量值Z送給PID調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器將Z與給定值R進(jìn)行比較，由于R保持不變，Z上升，則RZ=E，E將下降，由PID的性質(zhì)，此時(shí)LMN值將下降；頻率f和轉(zhuǎn)速n也將隨著其下降，很顯然，轉(zhuǎn)速n下降將使出口壓力P也下降。如此使P回歸給定值，如果PID參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)，可獲得比較滿意的調(diào)節(jié)的效果，這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程可用符號(hào)簡(jiǎn)潔地表達(dá)為：相反，當(dāng)干擾使出口壓力P下降時(shí)有：很明顯，這是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，如果把方塊圖中Z信號(hào)旁的“”變成“+，”E就等于P+Z，系統(tǒng)變成了正反饋，就不能克服干擾，此時(shí)，可見(jiàn)，在正反饋控制系統(tǒng)中，反饋值上升，系統(tǒng)將越來(lái)越偏離給定值。第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件選型 PLC選型西門(mén)子S7200、300、400最大的區(qū)別是應(yīng)用規(guī)模上的不同。在實(shí)際工程應(yīng)用中200控制點(diǎn)數(shù)一般不會(huì)超過(guò)64個(gè)；300的系統(tǒng)一般不超過(guò)512個(gè)；400則基本上就是大型系統(tǒng)了上千點(diǎn)都不足為奇。當(dāng)然系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)是受限于CPU的尋址能力、存儲(chǔ)器容量和授權(quán)點(diǎn)數(shù)以及設(shè)計(jì)思想的。這些參數(shù)可以查詢(xún)相關(guān)的手冊(cè)。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術(shù)要求對(duì)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)和I/O類(lèi)型。留有10%～20%的備用量即可。估算公式如下：DIDO=K[i=1Nαi+bi+c] (31)式31中，DI/DO——要估算的輸入和輸出點(diǎn)數(shù)量；K——～； αi——單個(gè)系統(tǒng)類(lèi)型參數(shù)； bi——單個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)； C——其他點(diǎn)數(shù) N——單個(gè)系統(tǒng)的總數(shù)[7]。SINATIC S7300是西門(mén)子公司為滿足中、小型規(guī)模的控制要求而設(shè)計(jì)的，幾乎可以滿足自動(dòng)化控制過(guò)程的各種要求，在生產(chǎn)制造過(guò)程中體現(xiàn)的尤為突出。S7300對(duì)于不同的控制功能分為各種控制模塊，如果用戶需要增加控制任務(wù)時(shí)，只要增加相應(yīng)的功能模塊即可，這種配置方案，為當(dāng)今最為流行的控制方案。 S7300系統(tǒng)模塊示意圖本次選擇SIMATIC S7300CPU型號(hào)為CPU 315F2 PN/DP 訂貨號(hào)為6ES7 3152FH130AB0數(shù)字量模塊DI16/DO16*24V/ 訂貨號(hào)為 6ES7 3231BL000AA0模擬量模塊AI4/AO2x8/8Bit 訂貨號(hào)為 6ES7 3340CE010AA0 變頻器選型驅(qū)動(dòng)裝置按照拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)類(lèi)型可以分為直流與交流傳動(dòng)兩類(lèi)，按照電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和容量也分成很多類(lèi)型。按照電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和容量也分為很多類(lèi)型。其中常見(jiàn)的有標(biāo)準(zhǔn)變頻傳動(dòng)裝置MicroMaster系列、高性能驅(qū)動(dòng)裝置SIMOVERT MasterDrive系列，以及新產(chǎn)品SINAMICS系列等。不同的產(chǎn)品系列其性能、功能不同。標(biāo)準(zhǔn)變頻傳動(dòng)裝置MicroMaster系列分為MM410/MM420/MM430/MM440四個(gè)系列，MM440是一種簡(jiǎn)單問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方案，功率范圍?。籑M420的IO數(shù)量少，不支持矢量控制，無(wú)自由功能塊可使用，功率范圍?。籑M430專(zhuān)為風(fēng)機(jī)水泵設(shè)計(jì)，不支持矢量控制，功率范圍大，在恒壓供水場(chǎng)合有很實(shí)用的功能；MM440是矢量控制變頻器，有控制單元，有自由功能塊，功能相對(duì)強(qiáng)大[8]。因?yàn)橛捅秒姍C(jī)是變頻器直接拖動(dòng)的，所以變頻器的選型變得尤為重要，首先，要考慮的便是變頻器的容量，太小，拖不動(dòng)電機(jī)，會(huì)造成油泵經(jīng)常性的停機(jī)；太大，雖可以拖動(dòng)電機(jī)，但從經(jīng)濟(jì)上考慮顯然是不合適的，一般情況下，變頻器的選型滿足以下條件即可：I. 變頻器的電壓等級(jí)要與油泵電機(jī)相符II. ～。綜上所述：本次設(shè)計(jì)選擇MM440變頻器 訂貨號(hào)為6SE64402UC175AA1 S7300與STM32進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊模塊選型CP340自身通過(guò)串行接口處理與通信伙伴的數(shù)據(jù)傳輸。為此，CP340配有三種不同的驅(qū)動(dòng)程序。l 單項(xiàng)數(shù)據(jù)通信打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序l 雙向數(shù)據(jù)通信ASCII driver3964R 程序在工業(yè)控制領(lǐng)域中，中低端產(chǎn)品S7300應(yīng)用的較為廣泛，基于S7300的Modbus RTU協(xié)議通信數(shù)據(jù)采集一般采用CP341模塊配置Dongle的模式實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)建成本較高，也避免了采用第三方模塊的兼容性差的問(wèn)題，是一種非常好的解決方案，所以采用CP340模塊，通過(guò)適當(dāng)編程，使用ASCII碼通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)Modbus RTU協(xié)議，其運(yùn)行穩(wěn)定，可靠，在S7300系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[10]。綜上所述：本次設(shè)計(jì)選擇 CP340型號(hào)為 CP340RS422/485 訂貨號(hào)為3401CH020AE0 HMISIMATIC WinCC和SIMATIC WinCC Flexible無(wú)論從功能還是應(yīng)用范圍上，都被認(rèn)為是兩款不同的軟件。WinCC設(shè)計(jì)上高瞻遠(yuǎn)矚，因此剛一發(fā)布，就成為HMI領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，支持覆蓋全球的多種語(yǔ)言，對(duì)于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，WinCC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。西門(mén)子公司還提供的了技術(shù)論壇，很多工程師們遇到的問(wèn)題，都將出現(xiàn)在里面，西門(mén)子公司的技術(shù)人員也會(huì)提供在線解答，方便大家的學(xué)習(xí)。SIMATIC WinCC Flexible簡(jiǎn)而言之是觸摸屏的組態(tài)軟件，相比WinCC，WinCC flexible組態(tài)畫(huà)面較為簡(jiǎn)單，功能弱；西門(mén)子有將WinCC的功能融合到WinCC flexible中的構(gòu)思，且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，即西門(mén)子博途TIA集成軟件。WinCC系統(tǒng)組件建立的各種編輯器可以生成工藝畫(huà)面、設(shè)置畫(huà)面、監(jiān)控畫(huà)面、腳本、報(bào)警、趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表，功能強(qiáng)大，操作者可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行目的性的選擇。WinCC還集成了以下系統(tǒng) [11] ,。u 與自動(dòng)化系統(tǒng)的無(wú)縫集成u 與自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成u 與MES系統(tǒng)的集成u 與相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的診斷。 WinCC體系機(jī)構(gòu)圖WinCC的可擴(kuò)展性是WinCC Flexible達(dá)不到的。綜上所訴：本次選擇WinCC組態(tài)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng) 硬件接線圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖PC機(jī)與S7300和WinCC與S7300通過(guò)以太網(wǎng)經(jīng)交換機(jī)X208進(jìn)行通訊,，，Wincc ，MM440的從站地址為4（P0918）。S7300與MM440通過(guò)PROFIBUSDP通訊控制油泵S7300經(jīng)通訊模塊CP340與STM32進(jìn)行MODBUSRTU通信壓力傳感器信號(hào)經(jīng)模擬量采集模塊SM334轉(zhuǎn)換為數(shù)字量0`27648,送入PLC進(jìn)行PID運(yùn)算。 電源電路的設(shè)計(jì) 電源接線圖 數(shù)字量接口設(shè)計(jì) 數(shù)字量接線圖 模擬量接口設(shè)計(jì) 2線制4～20mA接線圖 CP340接口設(shè)計(jì)下圖說(shuō)明了RS485模式下CP340和通訊伙伴連接時(shí)的接線圖（兩線制模式）。 CP340接線圖（兩線制）如果電纜長(zhǎng)度超過(guò)50m，則必須在接收器上焊接一個(gè)約為330W終端電阻，以確保數(shù)據(jù)傳輸暢通無(wú)阻。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 PLC工作方式在編寫(xiě)程序時(shí)，有必要了解一下PLC的工作過(guò)程。 PLC循環(huán)掃描過(guò)程PLC的掃描工作方式會(huì)引起輸入/輸出時(shí)間滯后，