【正文】 ............................................. 28 系統(tǒng)要求 .......................................................................................... 28 控制系統(tǒng)的 I/O 及地址分配 ........................................................... 28 PLC 系統(tǒng)選型 .................................................................................. 30 電氣控制系統(tǒng)原理圖 ...................................................................... 30 主電路圖 ........................................................................................ 30 控制電路圖 ................................................................................... 32 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) .................................................................................. 33 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 ................................ 34 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 ......................................................... 34 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì) ............................................................................ 34 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn) .................................................... 36 系統(tǒng)的運(yùn)行分析 ............................................................................ 38 致謝 ................................................................................................................ 39 1 1 緒論 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。 本文介紹了采用 PLC控制的變頻調(diào)速供水系 統(tǒng)，由 PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力凋節(jié)。1 摘 要 隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高 ； 再加上目前能源緊缺，利用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)以及通訊技術(shù)，設(shè)計(jì)高性能、高節(jié)能、能適應(yīng)不同領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然趨勢(shì)。電動(dòng)機(jī)泵組由三臺(tái)水泵并聯(lián)而成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來(lái)控制變頻器電動(dòng)機(jī)泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運(yùn)行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 ；恒壓供水； PID調(diào)節(jié)； PLC 2 ABSTRACT With the rapid development of social economy； it demands the better of water supply39。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過(guò)許多供水方式。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大 。 恒速泵加高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的，只是水箱設(shè)在建筑物的頂層。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開(kāi)、停，將完全由人操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點(diǎn)。頻繁啟動(dòng)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的。隨著變頻技術(shù)的發(fā)4 展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓 供水功能的變頻器，像日本Samc。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) 。 5kW22kW)，無(wú)需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多 4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、 定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。 課題來(lái)源及本 文的主要研究?jī)?nèi)容 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。 本論文中所做的工作 根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)出滿足要求的恒壓供水系統(tǒng)，對(duì) PLC、變頻器、壓力傳感器進(jìn)行選型，根據(jù) 系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)出能滿足控制要求的控 制 電路和控制 程序。恒壓供水的主要目標(biāo)是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化，這就要用變頻器為水泵電機(jī)供電。 圖 21為恒壓供水 系統(tǒng) 構(gòu)成示意圖。 圖 21 恒壓供水系統(tǒng)示意圖 Fig21 Constant pressure water supply system schematic drawing P L C 送水 消防 生活 變頻器 工頻 /變頻切換電路 1 號(hào)泵 2 號(hào)泵 3 號(hào)泵 壓力罐 壓力傳感器 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 7 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，在 系統(tǒng)中完成以下幾種功能： (1) 設(shè)定水管壓力的給定值。另外有些供水系統(tǒng)可能有多種用水目的，如將生活用水與消防用水共用一 個(gè)泵站，水壓的設(shè)定值可能不止一個(gè)，一般消防用水的水壓要高一些。 (3)根據(jù)結(jié)定值與實(shí)測(cè)值的綜合，依一定的 調(diào)節(jié)規(guī)律發(fā)出系統(tǒng)調(diào)節(jié)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器工作中還有個(gè)調(diào)節(jié)規(guī)律問(wèn)題，傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律多是比例 積分 微分調(diào)節(jié)，俗稱 PID調(diào)節(jié)器。 信 號(hào)的量值與前邊提到的差值成比例，用于驅(qū)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備工作。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國(guó)是每秒 50Hz。 均與送 入 電機(jī)的電流頻率 /成正比例或接近于正比例。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過(guò)整流變成直流電。 (2)直流中間電路。 因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率的交換。負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個(gè)部分 。為了電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的需要，中間電路中有時(shí)還包括制動(dòng)電阻及一些輔助電路。圖 32為電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)示意圖。 fU 控制由于忽略了電動(dòng)機(jī)漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。轉(zhuǎn)差頻率控制是在 fE 控制基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)差控制的一種控制方式。 （ 3）矢量控制。 通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對(duì)12 負(fù)載的適應(yīng)性。功能碼一般有數(shù)十甚至上百條， 涉及調(diào)速操作端口指定、頻率變化范圍、 力矩控制、系統(tǒng)保護(hù)等各個(gè)方面。 變頻器的輸出頻率控制有以下幾種方式： （ 1）操作面板控制方式。變頻器常設(shè)有多段頻率選擇功能。 (3)外輸入端子模擬量頻率選擇操作方式。 變 頻器硬件 選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 變頻器選用日本安川變頻器 CIMRP5A45P5 產(chǎn)品。 M M2為變頻器的極限輸出頻率的檢測(cè)輸出信號(hào)端 ，該信號(hào)進(jìn) PLC，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過(guò)面板可以設(shè)定 。變頻器端子的 19端和 20端是傳感器壓力設(shè)定的上、下限值，該信號(hào)進(jìn) PLC，作為工頻切換的控制信息，由 PLC控制水泵的工頻或變頻運(yùn)行。 圖 33 日本安川變頻器 CIMRP5A45P5在電路中的接線圖 Fig 33 Japan39。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能 ，尤其是硬件 /軟件備用水泵功能，充分保證了水泵的及時(shí)維修和系統(tǒng)的正常供水。 (2)控制水泵的運(yùn)行與切換。 增加一臺(tái)工頻泵投入運(yùn)行 PLC則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。 (4)泵站的其他邏輯控制。模擬量擴(kuò)展單元有單獨(dú)用于模 /數(shù)轉(zhuǎn)換的，單獨(dú)用于數(shù) /模轉(zhuǎn)換的，也有兼具模 /數(shù)及數(shù) /模兩種功能的。模擬量信號(hào)可通過(guò)雙絞屏蔽電纜接入，連接及方法如圖 31所示，當(dāng)使用電流輸入時(shí)，需將V+及 I+端短接。其通常轉(zhuǎn)換速度為 15ms/ 通道，高速轉(zhuǎn)換速度為 6/ms通道。 0號(hào) BFM用于通道的選 擇。 （ 2） BFM1～ 4。 （ 4） BFM9～ 12。若設(shè)為 0，則為正常轉(zhuǎn)換速度，即 15ms/通道；若設(shè)為 1，則為告訴轉(zhuǎn)換速度，即 6ms/通道。 BFM20的默認(rèn)值為 0。 （ 8） BFM22。 （ 9） BFM23 BFM24。 圖 43 FX N2 4AD 的偏置和增益 Fig43 Bias and gain of FX N2 4AD （ 10） BFM29 中各位的狀態(tài)是 FX N2 4AD 錯(cuò)誤狀態(tài)信息。 模擬量輸出模塊的功能及 PLC系統(tǒng)連接 FX N2 2DA 模塊用來(lái)將 12 位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流輸出。 25mV）的電壓信號(hào)，或 4~20Ma(分辨率為 4μ A)的電流信號(hào)。轉(zhuǎn)換時(shí)間為 4ms/通道。 BFM16 的 B7~B0 用于輸出數(shù)據(jù)的當(dāng)前值 （ 低 8位數(shù)據(jù)）。它的原理通過(guò) 控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。在恒壓供水中常見(jiàn)的 PID控制器的控制形式主要有兩種 ： 如圖 7所示 圖 41 PID控制原理圖 Fig 41 PID control scheme 硬件型，即通用 PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和 P， I， D 參數(shù)及目標(biāo)值的設(shè)定。 積分環(huán)節(jié) ： 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。只包含第一、三項(xiàng)的是 PD作用 。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。偏差小時(shí)， P動(dòng)作的作用減小。 利用 I動(dòng)作消除偏差作用和用 D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動(dòng)作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。下面簡(jiǎn)單列舉一些的準(zhǔn)則 ： 如果廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)是 )1/( 00 0 ?? sTeK s? ，調(diào)節(jié)器的比例增益是 Kc 整個(gè)系統(tǒng)總的開(kāi)環(huán)增益是 0KKC 。經(jīng)驗(yàn)上常取 iT 為 2左右， dT 為 0。由這一點(diǎn)出發(fā)，可從兩條途徑之一進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)湊試 ： (1)先用單純的 P作用，選出合適的值 CK ，作為基礎(chǔ)，然后適當(dāng)引入 iT 和 dT ， Ti和 Td值進(jìn)行挑選。必須盡量發(fā)揮它能消除余差的利，盡量縮小它不利于穩(wěn)定的弊。即使如此，在引入 I作用后， CK 應(yīng)比單純 P作用時(shí)減小 10%左右。如果有兩個(gè)參數(shù)可以調(diào)整，在可在衰減比之外 ，再添加一個(gè)指標(biāo)。對(duì)要控制的過(guò)程類型沒(méi)有限制，遲延系統(tǒng) （ 溫度、液位等）和快速系統(tǒng) （ 流量、電機(jī)轉(zhuǎn)速等）都可以作為被控對(duì)象。只有選用了最適合被控對(duì)象的控制器并使其適應(yīng)過(guò)程的響應(yīng)時(shí)間，才能得到較高的控制質(zhì)量。通過(guò)設(shè)置常量參數(shù)．可先選用想要的回路控制類型。 正作用或反作用回路 如果增益為正，那么該回路為正作用回路。 (2)三臺(tái)泵根據(jù)恒壓的需要．采取“先開(kāi)先?！钡脑瓌t接人和退出。 (6)對(duì)泵的操作要有手動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。這樣的配置是最經(jīng)濟(jì)的。三臺(tái)電機(jī)分別為 MM M3。圖中 SA 為手動(dòng) /轉(zhuǎn)換開(kāi)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)。 （ 1）手動(dòng)運(yùn)行 按下按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制 1～ 3泵的啟停 (見(jiàn)圖 1)。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全部操作過(guò)程。為了判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值的確實(shí)性，應(yīng)濾去偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時(shí)間濾波。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本例中使用泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制 (3 再加 1 等于 0)，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。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。在本系 統(tǒng) PID 中，只是用了比例和積分控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可通過(guò)工程計(jì)算初步確定，但還需要進(jìn)一步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。供水量減少時(shí) ， 調(diào)速工 作水泵首先由高頻段向低頻段