【正文】 0.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 26 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在 水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。語(yǔ)句表 (STL)語(yǔ)言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言，特別適合于來(lái)自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 27 人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語(yǔ)言。 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻 /工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量 (壓力、頻率 )比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。 (2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當(dāng) PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。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(gè)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(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。 PLC 程序設(shè)計(jì) PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7MicroWINV40 編程軟件開發(fā)。利用定時(shí)器中 斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號(hào)S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號(hào)輸 入 變 頻 器圖 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 線情況。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和 1 個(gè)模擬量輸出信號(hào)。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 所示。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下： HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA 的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。 輸出 1水泵工頻運(yùn) 行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈 HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。只有當(dāng) SB2 按下時(shí)才會(huì)切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。圖中的 ~及 ~ 為 PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 21 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性 直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來(lái)獲得正確的轉(zhuǎn)向。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則 要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)要求貯水池 水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測(cè)到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（ 4~20mA 電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入 PLC。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出 [13]。 SFL 型低噪 音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長(zhǎng)；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長(zhǎng)；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無(wú)跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對(duì)便宜的 U/f控制變頻器。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 18 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)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，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點(diǎn)，輸入形式為 +24V 直流輸入。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此 PLC選用德國(guó) SIEMENS 公司的 S7200 型。 6. 通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 16 2. 占地面積小，投資少，效率高。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)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。 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(dòng)。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)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(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。 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)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加水泵來(lái)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(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。 (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(dòng)投入水泵 M2(變 速運(yùn)行 )，同時(shí)變頻泵M1 做工頻運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。由于電信號(hào)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(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 14 換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)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)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。供水控制計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 13 器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)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(duì)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(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制；變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。信號(hào)有效時(shí)，控制 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機(jī) 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號(hào)報(bào) 警 信 號(hào)水 池 水 位 信 號(hào) 圖 系統(tǒng)要 對(duì)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。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場(chǎng)合，并且與供水機(jī)組的容量大小無(wú)關(guān)。 (3) 通用變頻器 +PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè) 備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無(wú)法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)段的不同恒壓要求，在調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能不易保證。所以調(diào)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。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在 E 點(diǎn)，流量為 Q1，揚(yáng)程為 H0，當(dāng)供水量從 Q1減小到 Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 b3移到 b1，揚(yáng)程特性曲線不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其實(shí)質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 中 A 點(diǎn)。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)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(guān)系曲線，如圖 所示。 變 頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 基本上與電源頻率 f成正比。例如：當(dāng)流量下降到 80％ ，轉(zhuǎn)速也下降到80％ 時(shí)，其軸功率則下降到額定功率的 51％ ；當(dāng)流量降到 50％ ，軸功率將下降到額定功率的 13％ ，即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引起效率下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。那么下面我們就關(guān)心的問題就是水流量與轉(zhuǎn)速及軸功率的關(guān)系。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對(duì)數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 由交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式 n=60f 1/p*(1s) （式中 n— 電機(jī)轉(zhuǎn)速 。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。 S7200 有 5種 CPU模