【正文】 ，獲得了供水行業(yè)專家的青睞。其優(yōu)點(diǎn)是能同時滿足用戶對流量和揚(yáng)程的不同要求。而高層用戶用水量大時又造成低層用戶水壓過高。系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)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(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓的穩(wěn)定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。2．通用變頻器+單片機(jī)+人機(jī)界面+壓力傳感器。在硬件設(shè)計(jì)上，只需確定PLC的硬件配置和外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。變頻調(diào)速技術(shù)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的比以往任何調(diào)速方法更加優(yōu)越的新技術(shù)，具有節(jié)能效果明顯、調(diào)速曲線平滑、調(diào)速過程簡單、安全可靠、保護(hù)功能齊全、起動性能優(yōu)越、自動化程度高等特點(diǎn)，被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的任何場合，顯著的節(jié)能效果也給眾多的企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，特別是近幾年來隨著IGBT功率元件和DSP微處理系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用，變頻器本身己非常成熟，使得變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)越性更加突出，傳動效率越來越高，使用越來越方便，可靠性也得到了進(jìn)一步的提高。采取變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)恒壓供水相對于傳統(tǒng)的閥門控制恒壓供水方式的節(jié)能機(jī)理。有人將其稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（即PLC，機(jī)器人，CAD/CAM）之一。在70年代，微處理器的出現(xiàn)使PLC發(fā)生了巨大的變化。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程I/O模塊、各種特殊功能模塊。2．模塊更豐富。其硬件結(jié)構(gòu)方面總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高、兼容性強(qiáng)，并且軟件資源豐富，特別是有實(shí)際操作系統(tǒng)的支持，股對要求快速、實(shí)時性強(qiáng)、模型復(fù)雜。硬件結(jié)構(gòu)專用性強(qiáng)、通用性差，很多語言編程易學(xué)，便于推廣應(yīng)用。在整體結(jié)構(gòu)上要完全適應(yīng)現(xiàn)成生產(chǎn)環(huán)境，還要靠大量工作。盡管現(xiàn)代PLC在模擬信號處理、數(shù)值運(yùn)算、實(shí)時控制等方面有了很大提高，但在模擬復(fù)雜、計(jì)算量大且較難、實(shí)時性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制機(jī)更能發(fā)揮其長處。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大超過了邏輯控制的范圍，因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡稱PC。其可選部件包括編程器、外存儲器、模擬I/O盤、通信接口、擴(kuò)展接口以及測試設(shè)備等，主要用于系統(tǒng)的編程組態(tài)、程序存儲、通信聯(lián)網(wǎng)、系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)的測試與維護(hù)等，是PLC的輔助組成部分，在PLC正常運(yùn)行期間這些部件并不起作用，它們主要用于系統(tǒng)的開發(fā)、安裝、調(diào)試和維護(hù)。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達(dá)30萬小時。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。與相同功能的繼電器控制系統(tǒng)相比，它具有很高的性能價格比。如繼電器邏輯、定時器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、觸發(fā)器等。如圖32所示。要使程序巡回掃描一次的時間短，首先與每條指令的執(zhí)行時間長短有關(guān)，其次與程序中所用指令類型和包含指令條數(shù)的多少有關(guān)。因此，這部分占用的掃描時間不僅對不同的系統(tǒng)其長短不同，而且對同一系統(tǒng)的不同時間也占用不同的掃描時間?？删幊绦蚩刂破鲯呙韫ぷ鞣绞剑河?jì)算機(jī)用于控制、運(yùn)行程序時常采用掃描工作方式和中斷工作方式。整個工作過程可分為以下階段：每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。如接收由編程器送圖22 PLC的基本工作原理來的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，則要把要顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。接著進(jìn)入程序執(zhí)行階段，此時輸入影響寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變，知道下一個掃描周期的輸入采樣階段，才能重新寫入輸入端的新內(nèi)容。然后，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再存入元件映像寄存器中。掃描周期的大小對系統(tǒng)性能有一定影響，例如對I/O響應(yīng)時間，定時器精度等都有影響。1．自診斷是指在PLC掃描用戶程序之前先執(zhí)行故障子診斷程序，主要執(zhí)行I/O部分、存儲器和CPU等，自診斷正常則繼續(xù)向下掃描；2．與編程器或計(jì)算機(jī)通信是指PLC檢查編程器或計(jì)算機(jī)等是否有通信的請求，并接收發(fā)出來的程序、指令和各種數(shù)據(jù)，將相應(yīng)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)和信息顯示出來。4．當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢后，PLC集中將輸出狀態(tài)寄存器中的狀態(tài)通過輸出模塊單元轉(zhuǎn)換成控制設(shè)備的電壓或電流信號，以驅(qū)動控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對輸出狀態(tài)的刷新。4．指令條數(shù)：衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。 PLC的設(shè)計(jì)步驟PLC的工作方式和通用微機(jī)不完全一樣，因此用PLC設(shè)計(jì)自動控制系統(tǒng)與微機(jī)的控制系統(tǒng)的開發(fā)過程也不完全一樣。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，確定適當(dāng)?shù)牧粲杏嗔慷焕速M(fèi)資源的機(jī)型（小、中、大形機(jī)器）。 4．軟件設(shè)計(jì) （1）在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時可以同時著手軟件的設(shè)計(jì)工作。將設(shè)計(jì)好的程序通過程序編輯工具下載到PLC控制單元中。在保證整個硬件連接的正確無誤的情況下即可送電。應(yīng)保持足夠長的運(yùn)行時間使問題充分暴露并加以糾正。CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接受并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。所以不僅能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電集控的所有控制要求，而且還可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電集控很難實(shí)現(xiàn)的一些較高的控制要求。細(xì)致闡述了PLC在現(xiàn)在工業(yè)上的優(yōu)勢，并解答了PLC的構(gòu)成原理、運(yùn)行方式和特點(diǎn)。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機(jī)來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。磁極對數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。 變轉(zhuǎn)差調(diào)速通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。本方法適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場合。(4)時變性:在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中,由于有定量泵的加入控制,而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運(yùn)行)是時時發(fā)生的,同時定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù),使其不確定性地發(fā)生變化,因此可以認(rèn)為變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速,減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩,從而減小葉片承受的應(yīng)力,減小軸承的磨損,使水泵的工作壽命大大延長。2．設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水。6．具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能。不同季節(jié)、不同月份，用戶用水量流量的變化類型也會改變。 總體設(shè)計(jì)方案確定1．調(diào)速方式泵站供水系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)市區(qū)用戶的用水，屬連續(xù)型高流量變化型。圖32城區(qū)用水量變化類型a)連續(xù)型(全流量變化型) b)連續(xù)型(高流量變化型)c)連續(xù)型(低流量變化型) d)間歇型2．泵水方式由于用水呈高流量變化型的特點(diǎn)，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。4．PLC控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號指示報(bào)警及與上位機(jī)的通訊聯(lián)絡(luò)。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機(jī)制容量來確定。在變頻器起動、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子FWD（REV）來操作，不得以主電路空氣開關(guān)QF2的通斷來進(jìn)行。圖35給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系?？刂齐娐分羞€要考慮電路之間互鎖的關(guān)系，這對于變頻器安全運(yùn)行十分重要?？刂齐娐分羞€考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開觸點(diǎn)的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門的工作狀態(tài)。圖36中，SA為手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，KA為手動/自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置KA吸合，為自動狀態(tài)。中間繼電器KA的常開觸點(diǎn)接PLC的X0，控制自動變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。FRFRFRFR4為四臺泵的熱繼電器的常閉觸點(diǎn)，對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。 圖36 電氣控制線路圖表31水泵機(jī)組及參數(shù)型號數(shù)量主要性能參數(shù)流量(m3／h)揚(yáng)程(m)效率(％)轉(zhuǎn)速(r／min)電動機(jī)功率(kW)主水泵HGT12504003108045721450200輔助水泵HGT1120400l5045681450102．壓力變送器及數(shù)顯儀的選型選用普通壓力表Y100和XMT1270數(shù)顯儀實(shí)現(xiàn)壓力的檢測、顯示和變送。這三個式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時，應(yīng)同時滿足三個算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個較關(guān)鍵的量。綜上分析，系統(tǒng)選用專為風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型U/f控制方式的富士變頻器FRN200P11S4CX，變頻器內(nèi)置PID控制模塊，可用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。③I/0特性8個可設(shè)定的多功能開關(guān)量輸入口，給操作者極大的靈活性（如運(yùn)行/停止、正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動等）；3路可設(shè)定的開路集電極晶體管多功能輸出，可用于頻率到達(dá)、頻率值檢測、過載、運(yùn)等多種提示；設(shè)有模擬電流/電壓輸入端子，實(shí)現(xiàn)外部頻率設(shè)定；RS485接口，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。②上限頻率：由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，在50Hz的情況下，水泵在變頻運(yùn)行時的實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了電動機(jī)的負(fù)載，因此實(shí)際預(yù)置得略低于額定頻率。因此，應(yīng)適當(dāng)預(yù)置啟動頻率值，使其在啟動瞬間有一點(diǎn)沖擊力。內(nèi)置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴(kuò)展到16K。2．在安排具體設(shè)備的時候，要注意哪些有電磁干擾，要盡量避免，還要注意適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)距離，即顯示遠(yuǎn)輸送壓力表要盡量和電流信號以及壓力開關(guān)量信號的傳輸電纜縮短距離，以及水泵與控制系統(tǒng)也要盡量縮短距離。6．特別注意電源問題，因?yàn)榉览状胧┦欠浅１匾?。要使用電阻不大?100Ω，較粗且較短的接地線，接地端要是專門的接地器，不要隨便把變頻器上的螺釘?shù)饶脕碜鼋拥亍；谶@一設(shè)計(jì)方案，本章的具體內(nèi)容概括如下：1．變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)由PLC、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、3臺主水泵機(jī)組、1臺輔助泵機(jī)組、控制柜等組成，采用一臺變頻器分時控制3臺主水泵的起動、調(diào)速和運(yùn)行。第4章 PLC控制程序 水泵/變頻運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析1．供水狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換供水狀態(tài)是指供水時按照用水量的大小設(shè)定投入運(yùn)行的水泵臺數(shù)及運(yùn)行狀況（工頻或變頻）。若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，延時1分鐘，由PLC給出控制信號，將1號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時變頻器對2號主水泵軟啟動。當(dāng)用水量減少時，變頻器通過PID調(diào)節(jié)器降低水泵轉(zhuǎn)速來維持水壓。2．狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系為保證在一個較長的時間周期內(nèi)，各臺水泵運(yùn)行時間基本均等，避免某臺電機(jī)長期得不到運(yùn)行而出現(xiàn)銹死現(xiàn)象，供水狀態(tài)的切換按照“有效狀態(tài)循環(huán)法”即“先起先?！钡脑瓌t操作。S281,3工頻2變頻S272,3工頻1變頻S261,2工頻3變頻S253工頻1變頻2停機(jī)S242工頻3變頻1停機(jī)S231工頻2變頻3停機(jī)S223變頻 1,2停機(jī)S212變頻 1,3停機(jī)S201變頻 2,3停機(jī)SO輔泵工頻運(yùn)行1,2,3 停機(jī)圖41供水狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖中，箭頭向下為增泵過程，箭頭向上為減泵過程。從輔助泵切換到主泵條件：滿足X2；從主泵切換到輔助泵條件：同時滿足XX3；增泵條件：同時滿足XX2；減泵條件：同時滿足XX3。增泵過程的實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜一些，首先要將運(yùn)行在變頻狀態(tài)的電機(jī)和變頻器脫離后，再切換到電網(wǎng)運(yùn)行，同時變頻器又要以起始頻率起動一臺新的電機(jī)運(yùn)行。時間太長，原變頻運(yùn)行的電機(jī)轉(zhuǎn)速下降太多，一方面造成水壓下降大，另一方面在接下來切換到工頻時沖擊電流大。因變頻器輸出電壓相位和電網(wǎng)電壓相位一般不同，當(dāng)電機(jī)從變頻器斷開后，轉(zhuǎn)子電流磁場在定于繞組中的感應(yīng)電壓與電網(wǎng)電壓往往也存在相位差。（2）相位鑒定法。這一方法的實(shí)質(zhì)是通過定子繞組中和變頻器逆變橋上的續(xù)流二極管組成的回路來達(dá)到快速滅磁的目的。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。 2)指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數(shù)組成。 3)功能模塊圖語言是與數(shù)字邏輯電路類似的一種PLC編程語言。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉(zhuǎn)換條件，根據(jù)轉(zhuǎn)移條件對控制系統(tǒng)的功能流程順序進(jìn)行分配，一步一步的按照順序動作。用于系統(tǒng)的規(guī)模校大，程序關(guān)系較復(fù)雜的場合。在大中型的PLC系統(tǒng)中，常采用結(jié)構(gòu)化文本來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關(guān)系。結(jié)構(gòu)化文本編程語言的特點(diǎn)：采用高級語言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算，需要有一定的計(jì)算機(jī)高級語言的知識和編程技巧，對工程設(shè)計(jì)人員要求較高。梯形圖所使用的元件編號地址必須在所使用PLC的有效范圍內(nèi)。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，還包括定時器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)果。所以，由梯形圖編寫指令程序時，應(yīng)遵循自上而下、從左到右的順序，梯形圖中的每個符號對應(yīng)于一條指令，一條指令為一個步序。每掃描完一次程序就構(gòu)成一個掃描周期，然后再從頭開始掃描，并周而復(fù)始。PLC的工作過程就是程序執(zhí)行過程。在本工作周期內(nèi)，即使輸入狀態(tài)變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變。這就是說，對于每個元素來說，元素映像寄存器中寄存的內(nèi)容，會隨程序執(zhí)行的進(jìn)程而