【正文】 PLC 的發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺 PLC是 1969 年美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制的。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言 [5] ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲組件都以繼電器命名。 20 世紀(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國家中已獲得廣泛應(yīng)用。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 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(chǎn)品， 20xx 年升級為第三代產(chǎn)品，其特點(diǎn)如下 [6]： (1) 功能強(qiáng)大。 PLC 根據(jù)管網(wǎng)壓力自動(dòng)控制各個(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測值和給定值之間偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出給變頻器控制其輸出頻率，調(diào)節(jié)流量，使供水管網(wǎng)壓力恒定。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 7 第 2 章 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(dòng)機(jī)的調(diào)速原理 首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理 水泵電機(jī)多采用三相異步電動(dòng)機(jī)，而其轉(zhuǎn)速公式為： 60 (1 )fnsp?? () 式中： f表示電源頻率， p表示電動(dòng)機(jī)極對數(shù)， s 表示轉(zhuǎn)差率。p— 電機(jī)極對數(shù)）可知：如均勻地改變電機(jī)定子的供電頻率ｆ 1,就可平滑改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 .對于異步電動(dòng)機(jī)的變頻傳動(dòng) ,為了避免電機(jī)過磁飽和 ,同時(shí)抑制啟動(dòng)電流 ,產(chǎn)生必需的轉(zhuǎn)矩進(jìn) 行安全運(yùn)轉(zhuǎn) ,在改變頻率的同時(shí) ,對定子電壓也應(yīng)作相應(yīng)調(diào)節(jié) .逆變器主回路把三相 50Ｈｚ 交流電整流濾波為直流 ,再通過ＰＷＭ脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管 ,把直流變?yōu)殡妷汉皖l率可調(diào)的三相交流電，由此可實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。 P1/ P2= (n1/n2)3 （其中 Q代表流量； H 代表揚(yáng)程（水壓）； P代表 軸功率； n 代表轉(zhuǎn)速），當(dāng)流量減小，水泵轉(zhuǎn)速下降，其電機(jī)輸出功率則大幅度下降。下面重點(diǎn)分析改變電源頻率調(diào)速的方法及特點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)了各種性能良好、工作可靠的變頻調(diào)速電源裝置，它們促進(jìn)了變頻調(diào)速的廣泛應(yīng)用。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)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(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qu 間的關(guān)系 H=f(Qu)。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系 H=f(Qc)。通常由異步 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率 P 與轉(zhuǎn)速 n三次方成正比，即： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。此時(shí)水泵輸出功率正比于 H0 Q2，由于 H1H0，所以當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有正比于 (H1－ H0) Q2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H1 增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)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(jī)組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將 PID 調(diào)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(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。同時(shí)由于PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 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(jī)組一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)的控制流程圖如圖 所示： 從 圖中可看出，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為： (l) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由一臺變頻泵和兩臺工頻泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；工頻泵只運(yùn)行于啟、停兩種工作狀態(tài)，用以在用水量很大（變頻泵達(dá)到工頻運(yùn)行狀態(tài)都無法滿足用水要求時(shí)）的情況下投入工作。另外為加強(qiáng)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(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測，檢測結(jié)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(jìn)水水源是否充足。供水控制器是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，由 PLC 判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖：P I D D / A變 頻 器接 觸器水 泵機(jī) 組管 道壓 力 變 送 器A / D給 定－管 網(wǎng) 壓 力P L C 圖 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(shí)時(shí)地測量參考點(diǎn)的水壓，檢測管網(wǎng)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)換為 4— 20mA 的電信號 ，此檢測信號是實(shí)現(xiàn)恒壓供水的關(guān)鍵參數(shù)。反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上 轉(zhuǎn)換，將另一臺工頻泵 M3 關(guān)掉。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增 加了機(jī)組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中，實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。 實(shí)際的機(jī)組切換判別條件如下 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 () 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時(shí)判別成立 ()式中： UPf ：上限頻率 LOWf ：下限頻率 sP ：設(shè)定壓力 fP ：反饋壓力 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點(diǎn)： 1. 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電 20%~40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。 5. 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。因此我們在選擇 PLC 時(shí)，要考慮 PLC的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接 口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口 (PPI) 協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。 EM235模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型 U/f 控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型 U/f 控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的 RS485/232C 接口和用于簡單過程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對 I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 水泵機(jī)組的選型 水泵機(jī)組的選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。根據(jù)本設(shè)計(jì)要求并結(jié)合實(shí)際中小區(qū)生活用水情況，最終確定確定采用 3臺上海熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵機(jī)組（電機(jī)功率 75KW）。 壓力變送器的選型 壓力變送器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口，壓力傳感器和壓力變送器是將水管中的水壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)?1~5V 或 4~20mA 的模擬量信號，作為模擬輸入模塊 (A/D 模塊 )的輸入，在選擇時(shí)，為了防止傳輸過程中的干擾與損耗，我們采用 4~20mA 輸出壓力變送器。 液位變送器的選型 考慮到水泵電機(jī)空載時(shí)會影響電機(jī)壽命，因此需要對水池水位作必要的檢測和控制。接觸器 KM KM KM5 分別控制 M M M3的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3的變頻運(yùn)行； FR FR FR3 分別為三臺水泵計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 20 電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QS QS QS4 分別為變頻器和三臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，連接至變頻器的隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器和隔離開關(guān)。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1和 KM KM3 和 KM KM5和 KM6 絕對不能同時(shí)動(dòng)作，相互之間必須設(shè)計(jì)可靠的互鎖。初始運(yùn)行時(shí)，必須觀察電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 向，使之符合要求。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動(dòng)器。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號，本系統(tǒng)通過一個(gè)中間繼電器 KA的觸點(diǎn)對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。 SB1 按下時(shí)由于 KM2 常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1 的線圈得電，KM1 的常開觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。單刀雙擲開關(guān)SA 打至 2 端時(shí)開啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由 PLC 程序控制。當(dāng) 輸出1時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 23 S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4 圖 變頻恒壓供 水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O 端口分配中將詳細(xì)介紹。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時(shí)間過長。 (5) 系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。壓力變送器將測得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC的擴(kuò)展模塊 EM235的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開關(guān) SA1用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ；液位變送器把測得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較 其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報(bào)警信號；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動(dòng)檢測各指示燈是否正常工作。AC。判斷需啟動(dòng)新水泵的標(biāo)準(zhǔn)是變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過 3h，因此每次需啟動(dòng)新水泵或 切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。系統(tǒng)初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。白天模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程 70%。梯形圖 (LAD)語言最接近于繼電器接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應(yīng)用最多的一種編程語言，與計(jì)算機(jī)語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理和硬件邏輯，因此，它很容易被一般的電氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)人員所接受，是初學(xué)者理想的編程工具。 (1) 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時(shí)候， 先要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開始啟動(dòng)的時(shí)候，先對系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行檢測，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對變頻器變頻運(yùn)行的上下限頻率、 PID 控制的各參數(shù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的初值，在初始化子程序的最后進(jìn)行中斷連接