【正文】 5) 水泵構(gòu)造應(yīng)使泵站內(nèi)管線簡單，以減少水頭損失 。一般最優(yōu) 的水泵臺數(shù)為 3～ 6 臺。 4. 4. 3 PLC 的外部接線圖及其 I/O 分配表 本系統(tǒng)占用 PLC 的 3 個輸入點， 8 個輸出點， PLC 的外部接線圖如圖 43 所示， PLC的具體 I/O 分配情況見表 42： K A 1K M 1 K M 2 K M 3 K M 4 K M 5 K M 6 K M 7 K M 8Q 0 . 0 Q 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3 Q 0 . 4 Q 0 . 5 Q 0 . 6 Q 0 . 7S B 1 0S B 9S B 8S B 7S B 5S B 6S B 3S B 4S B 1S B 2 K M 1K M 1K M 1K M 2K M 3K M 2K M 3K M 3K M 4K M 5K M 4K M 5K M 5K M 6 K M 7K M 6K M 8K M 8K M 5K A 1K A 1K A 1K A 1H L 2H L 3H L 4H L 5H L 6H L 7H L 8K M 1K M 2K M 3K M 4K M 5K M 6K M 7H L 1L 1NQ F 7K A 24231F R 1 F R 2 F R 3 F R 4S A 圖 42 控制電路圖 Drawing of control circuit 輸入 功能 輸出 功能 變頻器高頻信號 KM1(1 號電機(jī)接變頻器 ) 變頻器低頻信號 KM2(1 號電機(jī)接工頻電源 ) 啟動信號 KM3(2 號電機(jī)接變頻器 ) KM4(2 號電機(jī)接工頻電源 ) KM5(3 號電機(jī)接變頻器 ) KM6(3 號電機(jī)接工頻電源 ) KM7(4 號電機(jī)接變頻器 ) 變頻器運(yùn)行、停止信號 3L 變頻器端子 9 表 42 PLC I/0 分配表 29 Distribute table of PLC I/O ～ 2 2 0 VK M 1K M 2K M 3K M 4K M 5K M 6K M 7D C O M3 LQ 0 . 72 LQ 0 . 1Q 0 . 2Q 0 . 3Q 0 . 4Q 0 . 5Q 0 . 6Q 0 . 01 LD I N 1NLML+2 4 V1 MI 0 . 0I 0 . 1I 0 . 2變 頻 器 上 限 頻 率 信 號變 頻 器 下 限 頻 率 信 號啟 動 信 號1 號 電 機(jī) 接 變 頻 器1 號 電 機(jī) 接 工 頻 電 源2 號 電 機(jī) 接 變 頻 器3 號 電 機(jī) 接 變 頻 器4 號 電 機(jī) 接 變 頻 器2 號 電 機(jī) 接 工 頻 電 源3 號 電 機(jī) 接 工 頻 電 源變 頻 器 運(yùn) 行 、 停 止 信 號S 7 2 0 0圖 43 PLC 外部接線圖 Periphery connection circuit of PLC 4. 4. 4 變頻器外部接線圖及相關(guān)參數(shù)設(shè)置 PLC 的 ， 接變頻器的端子 1 21， L+接端子 22，以便把變頻器上限頻率信號和下限頻率信號送到 PLC 中。當(dāng)水池缺水時 30 KA2 失電，利用其常開觸點切斷控制電路和常閉觸點進(jìn)行聲光 報警。 )延時完畢，則 1電機(jī)投入工頻運(yùn)行、 2電機(jī)投入變頻運(yùn)行 (此時 、 、 亮 )；如果變頻器又達(dá)到頻率下限 ( 為 “ 1” )則定時器 T39 開始計時 (10S)， 計時完畢后關(guān)閉、 ，延時隔 1S，延時完畢后，則 1電機(jī)投入工頻運(yùn)行、 2電機(jī)投入工頻運(yùn)行、3電機(jī)投入變頻運(yùn)行 (此時 、 、 、 亮 )；這是一個加電機(jī)的過程。 在本程序中還設(shè)計了三臺主電機(jī)兩種循環(huán)切換的功能。在表中 xf 為變頻器工作頻率； Hf 為變頻器上限工作頻率； Lf為變頻器的下限工作頻率 )(Hffxt ?為 ( Hffx? )的時間 ； )(Hffxt ?為 ( Hffx? )的時間； Ht ( Hffx? )為 的允許時間； Lt ( Hffx? )的允許時間 ； T1 為一臺水泵運(yùn)行要循 環(huán)切換的時間； T2 為二臺水泵運(yùn)行要循環(huán)切換的時間； T3 為在壓力滿足條件下輔助泵切換到主泵的延時時間。當(dāng)變頻器的頻率上限信號持續(xù)出現(xiàn)時， T52 開始計時 (10 秒 )，計時到，則轉(zhuǎn)入第一狀 態(tài)的運(yùn)行，即 1電機(jī)變頻運(yùn)行 (此時 ， 亮 )。 5. 3 系統(tǒng)程序設(shè)計分析 加啟動信號 ( 為 “ 1” )后，如果水池水位下限沒達(dá)到時，開始起動程序，此時由 PLC控制使 1電機(jī)變頻運(yùn)行 (此時 ， 亮 )；如果變頻器達(dá)到頻率上限 (即有輸入 為“ 1” )，則定時器 T37 開始計時 (10s)，計時完畢后關(guān)閉 ， ，延時 1S， (延時是為了兩方面的原因 ： 一是使開關(guān)充分熄弧，防止電網(wǎng)倒送電給變頻器，燒毀變頻器；二是讓變頻器減速為 0，以重新啟動另一臺電機(jī)。 4. 4. 5 缺水保護(hù)電路 當(dāng)水池水位偏低時，應(yīng)停止供水，否則水泵處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，長時間會損壞水泵。中間繼電器 KA1 的一個常開觸點 接 PLC的輸入點 ，控制自動狀態(tài)的起動 ； 中間繼電器 KA1 的三個常閉觸點接在四臺泵的手動 28 控電路上，控制四臺泵的手動運(yùn)行。大泵的效率比小泵高；而且用大泵時，工作泵和設(shè)備的費用以及泵站的面積?？蓽p小；因此不可只從適應(yīng)水量的變化出發(fā)，使用數(shù)量較多的小泵。 3) 水泵能力足以供應(yīng)最高用水量時的用水量，揚(yáng)程應(yīng)在該泵特性曲線的高效工作區(qū)內(nèi)，以減少耗電量 。 4) 方便用戶和簡易的無風(fēng)扇設(shè)計 。 2) 功能強(qiáng)弱適當(dāng) 對于開關(guān)量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用低檔的 PLC，如西門子公司的 S7200 系列機(jī)。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)提供了良好的保護(hù)。 2) 封閉 IP20。這是因為，電動機(jī)的容量選擇在考慮最大負(fù)載，富裕系數(shù)，電動機(jī)規(guī)格等因素，往往電動機(jī)的容量富裕較大，工業(yè)用電動機(jī)常常在 50%～ 60%額定負(fù)荷下運(yùn)行。其中后兩項變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。在同等電動機(jī)功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取 。 4. 1. 3 變頻器的選型 變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個方面。 PWM 型變頻器雖多為上述電壓型的，但近來也有電流型的。以單相變頻器 ?180 通電型為例，電壓型變頻器輸出的電壓波形為矩形 ； 而 PWM 型則是把電壓型的 ?180 矩形波分割成若千個脈沖，若適當(dāng)選擇脈沖個數(shù)和脈沖寬度，則其輸出波形近和正弦波相當(dāng)。由于交 交變頻器的輸出頻率一般最高只能達(dá)到電源頻率的 1/2～ 1/3， 所以它適用于低速大功率的傳動，在泵與風(fēng)機(jī)的調(diào)速節(jié)能中迄今很少使用。在這種情況下，可以采用恒功率變頻調(diào)速。若 1f 從額定值 (我國通常為 50Hz)往下調(diào)節(jié)時， ? 就增大。 4. 1. 1 變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系 ： )1(60 spfn ?? (41) 式中， n 表示電機(jī)轉(zhuǎn)速； f 表示電源頻率； s 表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率； P 表示電機(jī)磁極對數(shù)。 具有缺水保護(hù)功能。 5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 遠(yuǎn)傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PLC 的擴(kuò)展模塊 PID 運(yùn)算送給變頻器， 并給出信號直接控制水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。 3. 2 系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能 系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能 ： 1) 全自動運(yùn)行 合上自動開關(guān)后， 1泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻率從 0Hz 上升，同時 PID 調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h(yuǎn)傳壓力表的信號，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到 50Hz， 1泵由變頻切換為工頻，同時對 2泵進(jìn)行變頻啟 18 動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推 ； 如用水量減小 (壓力過大 )，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。各部分功能如下 ： 1) 水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水 ； 2) 安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成 420mA 的電信號 ； 3) 變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量 ； 4) PLC 用于水泵的邏輯切換、控制及供水壓力的 PID 控制等 ； 5) 外圍輔助電路 可 以當(dāng)自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù)生產(chǎn)。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運(yùn)轉(zhuǎn)開始頻率可預(yù)置的高一些，一般設(shè)定范圍為 0～ 20Hz(也可以通過預(yù)置下限頻率來達(dá)到目的 )。如果水泵轉(zhuǎn)速從 n0 降到 n1，水泵性能 曲線從 n0 平移到 n1，運(yùn)行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到C 點，揚(yáng)程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0 減少到 Q1。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚(yáng)程 H 和軸功率N 以相應(yīng)規(guī)律改變。若把水泵的效率曲線 ηQ 也畫在同一坐標(biāo)系中 ，可以找出 A 點的揚(yáng)程 AH 、流量 AQ 以及效率 A? 。 由流體力 學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和功率 N 的關(guān)系為： N = PQ (24) 又功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。管網(wǎng)的服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的 浪費。當(dāng)用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過程中 ， 采用不同的控制方案 ， 其水泵的能耗也不同。反映水泵運(yùn)行工況的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運(yùn)行時所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。 2) 中央空調(diào)系統(tǒng)。 9 因為實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力。其配置日趨合理，成為供水網(wǎng)系的替代產(chǎn)品。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計簡易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。在實際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的。但是直流電動機(jī)由于換向器和電刷維護(hù)保養(yǎng)很麻煩，價格也相當(dāng)昂貴。 5 5) 安裝簡單，維修方便。 2) 具有豐富的 I/O 接口模塊。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 模塊和各種特殊功能模塊。 2) 對供水壓力的要求比較嚴(yán)格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。據(jù)統(tǒng)計，從 1990 年到 1998 年，我國人均日生活用水量 (包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水 )有 升增加到 升，增長了 %，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐 年提高。 PID 控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，尤其適時用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上還實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。 1 0 引 言 常規(guī)水泵大部分時間均在額定負(fù)荷下運(yùn)行，特 別是自來水廠和居民區(qū)生活供水，其設(shè)計均按最大用水負(fù)荷選擇水泵， 而每天 24h 用水負(fù)荷變化很大，在夜間用水量更少，采用變頻恒壓供水設(shè)備，可根據(jù)用水量的大小變化，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時確保供水壓力恒定，可節(jié)約大量能源，延長設(shè)備使用壽命。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當(dāng)工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導(dǎo)致其開發(fā)周期長 ； 已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價格非常昂貴 ； 在修改工控軟件的源程序時，倘若原來 的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進(jìn)行源程序的修改，因而更是相當(dāng)困難。 4) 編程語言、編程工具標(biāo)準(zhǔn)化、高級化。 3 1 概述 1. 1 課題的背景和研究的意義 隨著社會的飛速發(fā)展 ， 人口的不斷增長 ， 近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。 在相當(dāng)比較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)， 以 PLC 控制的 變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點： 1) 供水量在短時間內(nèi) (一天時間內(nèi) )變化大，這種變化在幾個小時內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。 70 年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC的功能大大