【正文】 供水系統(tǒng)既符合了管阻特性，也滿足了揚(yáng)程特性 ， 系統(tǒng) 平穩(wěn) 運(yùn)行。通過改變定子供電頻率來改變同 步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的變 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 頻調(diào)速。 在 實(shí)際用水中， 水 需 求 量是 實(shí)時(shí) 變化的， 如果 在一段時(shí)間內(nèi)閥門開度保持不變，必然出現(xiàn)超壓或欠壓現(xiàn)象。 它的 工作原理是 通過 用戶用水 需求 量的 改變 自動(dòng)調(diào)整水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速， 以達(dá)到 管網(wǎng)壓力始終保持恒定 的目的 ，用水量減小時(shí)電機(jī)減速 ， 用水量增大時(shí)電機(jī)加速。當(dāng) 使 用調(diào)速控制時(shí)， 如果 采用恒壓 (H0)，變速泵 (n2)供水，管阻特性曲線 為 b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ n2， 平衡 工作點(diǎn)從 E 點(diǎn) 轉(zhuǎn) 移到D 點(diǎn)。在工業(yè)自動(dòng)化方面和節(jié)能方面廣泛使用變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速，其應(yīng)用前景十分廣闊。 （ 3）變頻調(diào)速恒壓供水具有優(yōu)良的節(jié)能效果 變頻 調(diào)速 的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用 大部分的電機(jī)拖動(dòng)場合 均可使用 變頻調(diào)速，由于 其 能 夠 提供精確的速度控制，因此可方便地控制機(jī)械傳動(dòng)的上升、下降和變速運(yùn)行。 （ 2）外接給定方式 通 過控制外部的模擬量或數(shù)字量端口，將外部的頻率設(shè)定信號(hào)送給變頻器。可以使用給定線進(jìn)行頻率信號(hào)的控制。 PID 控制 作為 連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式 ，其 具有理 論成熟，算法簡單，控制效果優(yōu) ，易 被 人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。相應(yīng)的傳遞函數(shù)形式： （ ） PID 控制器 P 、 I 、 D 環(huán)節(jié)的作用 以 及調(diào)節(jié)規(guī)律： (1) 比例環(huán)節(jié)：成比例 的 反映控制系統(tǒng)偏差信號(hào)，一旦產(chǎn)生偏差 e(t)，控制器 隨之 產(chǎn)生控制作用， 實(shí)現(xiàn) 減 小 偏差，但不能 夠 消除系統(tǒng)偏差隨 著 比例系數(shù) Kc 的增大，系統(tǒng)偏差減 小 ， 但 比例系 數(shù)過大 會(huì) 導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (3) 微分環(huán)節(jié)：對偏差信號(hào)變化 的 趨勢做出反應(yīng)，在偏差信號(hào)變得 過 大之前，引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào) 到 系統(tǒng)中，加快 了 系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少 了 調(diào)節(jié)時(shí)間。最后，比例度從大到小進(jìn)行搜索，直到控制過程滿足工藝控制要求 [10][11]。 3）選擇控制度。如果控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差（表現(xiàn)為振蕩現(xiàn)象），可適當(dāng)加大控制度，直到獲得滿意的控制效果。 1987 年國際電工委員會(huì) (International Electrical Committee)上 頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做 出 如下定義 :“ PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 。 。 （ 3） PLC 的性能指標(biāo) 。它是衡量 PLC 能力強(qiáng)弱的指標(biāo)，決定了 PLC 處理能力、控制能力的強(qiáng)弱。 。 (3) PLC 容量的選擇 PLC 容量主要是指是 PLC 的 I/O 點(diǎn)數(shù)， I/O 點(diǎn)數(shù)也應(yīng)留有適當(dāng)裕量 ，以備在某些特 殊情況下使用 。其有以下特點(diǎn)： (1) 具有 24 個(gè)輸入點(diǎn)， 10 個(gè) 輸出點(diǎn) ，共 40 個(gè)數(shù)字量 I/O 點(diǎn) 。 ( 5) 當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)， 具有 7 個(gè)擴(kuò)展模塊， 可以自 由擴(kuò)展。擴(kuò)展模塊主要有四類：數(shù)字量輸入 /輸出（ DI/DO）模塊、模擬量輸入 /輸出（ AI/AO）模塊、通信模塊和特殊功能模塊。 2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 250us。 3) 分辨率：電壓 12 位，電流 11 位。 4) 穩(wěn)定時(shí)間：電壓 100us，電流 2ms。 變頻器的選型 變頻器的具體選型 變頻器是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過改變頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)，從而改變出水 流 量。供水系統(tǒng)屬 于 泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對便宜的 U/f 控制變頻器 [11]。 MicroMaster440 變頻器的輸出 功率為~90KW，適用于功率大 、 要求高的場合，恰好其輸出信號(hào)能作為 的水泵電機(jī)的輸入信號(hào)。 整個(gè)系統(tǒng)接線原理圖如圖所示 精密電位器 380V 三相電源 24V 接地 MA 圖 模擬量擴(kuò)展模塊和 MM440 變頻器接線原理圖 變頻器參數(shù)設(shè)定 使用基本操作面板對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在水泵 選型 時(shí)有以下原則： （ 1） 根據(jù)供水的總揚(yáng)程選擇滿足揚(yáng)程要求的水泵。 （ 2） 根據(jù)水泵抽水的流量選擇流量合適的水泵。 （ 4） 應(yīng)盡量選用高效節(jié)能且噪音較低的水泵，不可采用市場淘汰產(chǎn)品。 （ 3） 要適當(dāng)超標(biāo)選水泵。水泵揚(yáng)程大 體 為 所需 提水高度的 ～ 倍。 使用變頻器之前必須設(shè)置電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，以使電動(dòng)機(jī)與變頻器相配，電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表 所示 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置完成后，設(shè)置 P0010 為 0，使變頻器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。 變頻器與模擬量擴(kuò)展擴(kuò)展的連接 在恒壓供水電路中，變頻器與 S7200PLC 配合使用，要求控制系統(tǒng)能夠平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品 ，由微處理器控制，絕緣柵雙極型晶體管作為 其 功率輸出器件，具有 較 高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。 要求 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào) 。 2) 差分輸入，電壓 0~10V、 0~5V、 0~1V、 0~500mV、 0~100mV、 0~50mV、 ? 10V、? 5V、 ? 、 ? 1V、 ? 500mV、 ? 250mV、 ? 100mV、 ? 50mV 和 ? 250mV；電流：0~20mA。 (2) EM232： 2 路 12 位模擬量輸出（ AO）模塊 1) 輸出范圍：電壓 ? 10V；電流： 0~20mA。故主要對此類擴(kuò)展模塊進(jìn)行簡要介紹。 (7) PLC 編程采用 STEP7Micro/win，它是 SIMATIC PLC 的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試 [12]。 (3) 與擴(kuò)展模塊組成的 I/O 端子排可以很容易的整體拆卸。根據(jù)被控對象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，通常 I/O 點(diǎn)數(shù)按實(shí)際需要的考慮留 10%～ 15%點(diǎn)數(shù)備用量。 (1) 結(jié)構(gòu)合理 對于 工藝比較固定，環(huán)境條件較好，維修量較小的場合， 由于 整體式每一 I/O 點(diǎn)的平均價(jià)格比模塊式的便宜，所以人們一般傾向于在小型控制系統(tǒng)中采用整體式PLC。 。 。 ，擴(kuò)展能力強(qiáng)。 報(bào) 警控制輸出 A/D 模塊 PLC 通訊模塊 變頻器 壓力變送器 人機(jī)界面 水泵機(jī)組 故障狀態(tài)輸入 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 部設(shè)備連接方便。 （ 2） PLC 的 特點(diǎn)： 。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第四章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣 控制 總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊 (2) 變頻器 (3) 水泵機(jī)組 (4) 壓力 傳感器。 4）根據(jù)選擇的控制度，參照表 計(jì)算 Ts、 Kc、 Ti 和 Td 的值。具體如下 1）選擇合適的采樣周期，控制器做純比例 Kc 作用，使系統(tǒng)閉環(huán)工作。 參數(shù)整定方法 （ 1） 經(jīng)驗(yàn)整定 法 可根據(jù)表所示的被控過程特點(diǎn)確定控制器參數(shù)的范圍。積分環(huán)節(jié)主要 作用在于 消除靜差。系統(tǒng)由被控對象 和 模擬 PID 控制器 構(gòu) 成，圖 為 控制系統(tǒng)原理圖，圖中 u(t)是 PID 調(diào)節(jié)器輸 出調(diào)節(jié)量 [9]。 本次課程設(shè)計(jì)中將使用外接給定方式的外接模擬量信號(hào)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速 控制 系統(tǒng) PID 原理及整定 PID 控制原理 在 變頻恒壓 供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了 具有 PID 調(diào)節(jié) 功能 的 PLC 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制 ， 保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定。外接模擬量控制信號(hào)時(shí)，電壓信號(hào)一般有： 0~5V、 0~10V 等，外接電流電流信號(hào)一般有： 0~20mA 或 4~20mA。使用變頻 調(diào)速的 優(yōu)點(diǎn) 如下 (1) 控制電機(jī)的啟動(dòng)電流 ； (2) 降低電力線路電壓波動(dòng) ； (3) 啟動(dòng)時(shí)需要的功率更低 ； (4) 可控的加速功能 ； (6) 可調(diào)的轉(zhuǎn)矩極限 ； 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 (7) 受控的停止方式 ； (8) 節(jié)能 ； (9) 可逆運(yùn)行控制 ； (10) 減少機(jī)械傳動(dòng)部件 。 （ 2）目前，變頻器技術(shù)已很成熟，在市場上有很多國內(nèi)外品牌的變頻器，這為變頻調(diào)速供水提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。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 [8]。 綜上 關(guān)系 可得 ，水泵輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成正比，即： HQkP1? () Qkn 2? () 23QkH? () 3knP? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。因 而 ，揚(yáng)程特性隨水泵 電機(jī) 轉(zhuǎn)速的 變化 而 變化 ， 其 管阻特性 沒有發(fā)生變化 。閥門控制法通過調(diào)節(jié)閥門開度 以 調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速 恒定 不變。通 過 異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 供 水泵旋轉(zhuǎn)供水， 將 電機(jī)和水泵做成一 個(gè)整 體，通過變頻器 改變 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水量 以 實(shí)現(xiàn)恒壓供水。因此，管阻特性反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。 因?yàn)?在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速不變 的情況下，流量的 值 主要取決于用戶的用水 量 ，因此，揚(yáng)程特性反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu間的關(guān)系 H=f(Qu)。電源頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，就 能夠 平滑 的 改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n。 從上式可知，三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速方法有 [6][7]： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機(jī)極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 改變電機(jī)極對數(shù)調(diào)速的調(diào)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(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，即變速 運(yùn)行 時(shí)轉(zhuǎn)速變化大，轉(zhuǎn)矩變化 也 大，因此 僅在 特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器 中適用 。 (6) 完善 的 保護(hù)、報(bào)警功能 在供電控制 回路上對工頻 、 變頻電源實(shí)現(xiàn)電氣 與 機(jī)械互鎖，防止產(chǎn)生短路。 (4) 采用 “ 規(guī)律 自動(dòng)切換” 原則 “ 規(guī)律 自動(dòng)切換” 原則 指 水泵運(yùn)行 連續(xù) 在 某一種控制規(guī)律 下時(shí)間達(dá)到 所 設(shè)定時(shí)間時(shí)自動(dòng)換泵運(yùn)行。 等 待電源恢復(fù)后，系統(tǒng) 將 自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按 照 自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng) 1泵變頻 運(yùn)行（與上述規(guī)律相同） ，直 到達(dá)到 給定水壓值 ，系統(tǒng) 穩(wěn)定運(yùn)行。 (6) 報(bào)警裝置 在 一個(gè)控制系統(tǒng) 中 ，報(bào)警 必須 是 不可或缺 的組成部分。 (4) 人機(jī)界面 人機(jī)界面是人與機(jī)器 進(jìn)行 信息 交互 的場所。 2） 變頻器 :主要作用是實(shí)現(xiàn)對 水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制。該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。 S7200 PLC 壓力傳感器 變頻器 1泵 2泵 3泵 輔助泵 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 恒速泵 :水泵只 工作 在工頻狀態(tài)，速度恒定。 原理圖如圖 所示 設(shè)定壓力 + 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理圖 PID 調(diào)節(jié) 變頻器 水泵 壓力檢測 PLC 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 變頻恒壓供水系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)分析