【正文】 的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術的三大支柱之一。 西門子S7200PLC簡介西門子公司具有品種非常豐富的PLC產品。S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC，S7200屬于小型PLC，在1998年升級為第二代產品，2004年升級為第三代產品，其特點如下[6]：(1) 功能強大。S7200有5種CPU模塊，最多可擴展7個擴展模塊，擴展到248點數(shù)字量I/O或38路模擬量I/O，最多有30多KB的程序存儲空間和數(shù)據存儲空間；(2) 先進的程序結構，功能強大、使用方便的編程軟件；(3) 靈活方便的尋址方法；(4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面；(5) 有競爭力的價格；(6) 完善的網上技術支持等。 本課題的主要研究內容本設計是以小區(qū)供水系統(tǒng)為控制對象，采用PLC和變頻技術相結合技術，設計一套城市小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)，并引用計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和管理保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。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)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，本設計中有3個貯水池，3臺水泵，采用部分流量調節(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行，其余水泵做恒速運行。PLC根據管網壓力自動控制各個水泵之間切換，并根據壓力檢測值和給定值之間偏差進行PID運算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調節(jié)流量，使供水管網壓力恒定。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。根據以上控制要求，進行系統(tǒng)總體控制方案設計。硬件設備選型、PLC選型，估算所需I/O點數(shù)，進行I/O模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、I/O連接圖，分配I/O點數(shù)，列出I/O分配表，熟練使用相關軟件，設計梯形圖控制程序，對程序進行調試和修改并設計監(jiān)控系統(tǒng)。7山東科技大學學士學位論文 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定2 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 電動機的調速原理水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為： () 式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數(shù)，s表示轉差率。從上式可知，三相異步電動機的調速方法有：(l) 改變電源頻率(2) 改變電機極對數(shù)(3) 改變轉差率改變電機極對數(shù)調速的調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，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值。下面重點分析改變電源頻率調速的方法及特點。根據公式可知，當轉差率變化不大時，異步電動機的轉速n基本上與電源頻率f成正比。連續(xù)調節(jié)電源頻率，就可以平滑地改變電動機的轉速。但是，單一地調節(jié)電源頻率，將導致電機運行性能惡化。隨著電力電子技術的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調速電源裝置，它們促進了變頻調速的廣泛應用。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能原理供水系統(tǒng)的揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Qu間的關系H=f(Qu)。而管阻特性是以水泵的轉速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f(Qc)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點。在這一點，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節(jié)異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉速控制法。閥門控制法是通過調節(jié)閥門開度來調節(jié)流量，水泵電機轉速保持不變。其實質是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉速控制法是通過改變水泵電機的轉速來調節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量。因此，揚程特性將隨水泵轉速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調速供水方式屬于轉速控制。其工作原理是根據用戶用水量的變化自動地調整水泵電機的轉速，使管網壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。由流體力學可知，水泵給管網供水時，水泵的輸出功率P與管網的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉速n與出水流量Q成正比；管網的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關系有，水泵的輸出功率P與轉速n三次方成正比，即： （） （） () ()式中k、kkk3為比例常數(shù)。 管網及水泵的運行特性曲線當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在E點，流量為Q1，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵的輸出功率正比于H1Q2。當用調速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。此時水泵輸出功率正比于H0Q2，由于H1H0，所以當用閥門控制流量時，有正比于(H1－H0)Q2的功率被浪費掉，并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是H1增大，而被浪費的功率要隨之增加。所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方案的確定恒壓變頻供水系統(tǒng)主要有壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的任務是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據進行傳輸和監(jiān)控。根據系統(tǒng)的設計任務要求，有以下幾種方案可供選擇[8]：(1) 有供水基板的變頻器+水泵機組+壓力傳感器這種控制系統(tǒng)結構簡單，它將PID調節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能。它雖然微化了電路結構，降低了設備成本，但在壓力設定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調試時，PID調節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，數(shù)據通信困難，并且限制了帶負載的容量，因此僅適用于要求不高的小容量場合。(2) 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調整方便，具有較高的性價比，但開發(fā)周期長，程序一旦固化，修改較為麻煩，因此現(xiàn)場調試的靈活性差，同時變頻器在運行時，將產生干擾，變頻器的功率越大，產生的干擾越大，所以必須采取相應的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。該系統(tǒng)適用于某一特定領域的小容量的變頻恒壓供水中。(3) 通用變頻器+PLC(包括變頻控制、調節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進行數(shù)據交換，通用性強；由于PLC產品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設計上，只需確定PLC的硬件配置和I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調試方便。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。該系統(tǒng)能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出第三種控制方案更適合于本系統(tǒng)。這種控制方案既有擴展功能靈活方便、便于數(shù)據傳輸?shù)膬?yōu)點，又能達到系統(tǒng)穩(wěn)定性及控制精度的要求。 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)場的水泵機組一起組成一個完整的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，：從圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構、信號檢測機構、控制機構三大部分，具體為：(l) 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構成，變頻泵是由變頻調速器控制、可以進行變頻調整的水泵，用以根據用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網的水壓恒定；工頻泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達到工頻運行狀態(tài)都無法滿足用水要求時）的情況下投入工作。(2) 信號檢測機構：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網水壓信號、水池水位信號和報警信號。管網水壓信號反映的是用戶管網的水壓值，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，需進行A/D轉換。另外為加強系統(tǒng)的可靠性，還需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測，檢測結果可以送給PLC，作為數(shù)字量輸入；水池水位信號反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報警信號反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關量信號。(3) 控制機構：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))、變頻器和電控設備三個部分。供水控制器是整個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、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構(即水泵機組)進行控制；變頻器是對水泵進行轉速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。根據水泵機組中水泵被變頻器拖動的情況不同，變頻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速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機中脫出，將該泵切換為工頻的同時用變頻去拖動另一臺水泵電機；變頻固定式是變頻器拖動某一臺水泵作為調速泵，當這臺水泵運行在50Hz時，其供水量仍不能達到用水要求，需要增加水泵機組時，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)運行前可以選擇[9]，本設計中采用前者。作為一個控制系統(tǒng)，報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域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網過大波動、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由PLC判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失。變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網的實際供水壓力跟隨設定的供水壓力。設定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內，恒壓控制的目標就是使出口總管網的實際供水壓力維持在設定的供水壓力上[10]。：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時地測量參考點的水壓，檢測管網出水壓力，并將其轉換為4—20mA的電信號，此檢測信號是實現(xiàn)恒壓供水的關鍵參數(shù)。由于電信號為模擬量，故必須通過PLC的A/D轉換模塊才能讀入并與設定值進行比較，將比較后的偏差值進行PID運算，再將運算后的數(shù)字信號通過D/A轉換模塊轉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，從而控制電動機的轉速，進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，實現(xiàn)變頻恒壓供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程變頻恒壓供水系統(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，根據壓力變送器測得的用戶管網實際壓力和設定壓力的偏差調節(jié)變頻器的輸出頻率，控制Ml的轉速，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值，這期間Ml工作在調速運行狀態(tài)。(2) 當用水量增加水壓減小時，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