【正文】 26 第 5 章 ..................................................................................... 38 ...................................................................................... 38 ........................................................................... 38 ........................................................................... 39 ...................................................................................... 46 ............................................. 錯誤 !未定義書簽。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡單、不受高度限制等特點，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機為硬起動且起動頻繁，對電器設(shè)備要求 較高、系統(tǒng)維護工作量大，而且為減少水泵起動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵在低效段工作，而出水壓力無謂的增高，也使浪費加大，從而限制了其發(fā)展。 組態(tài)軟件的介紹 組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。工控組態(tài)軟件的出現(xiàn)，使得大型工業(yè)控制系統(tǒng)的組態(tài)編程變得十分得簡單、容易，工程設(shè)計人員不用再設(shè)計那些復(fù)雜的應(yīng)用程序（如 I/O driver 等）。 恒壓變頻供水是較為理想和先進的。單元水箱和單元增壓泵實際上是一個整 體，我們稱之為單元增壓器。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控計算機控制技術(shù)課程答辯論文 5 制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計、模擬量運算、 PID 功能及極高的性價比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 西門子 S7200PLC 簡介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。硬件設(shè)備選型、 PLC 選型，估算所需 I/O 點數(shù)，進行 I/O 模塊選型，繪制系統(tǒng)硬件連接圖：包括系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 連接圖，分配 I/O 點數(shù)，列出 I/O分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計梯形圖控制程序，對程序進行調(diào)試和修改并設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)。 H1/ H2= (n1/n2) 2。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機運行性能惡化。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。 在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。 管 阻 特 性AQHH AQ A揚 程 特 性 圖 恒壓供水系統(tǒng)的基本特征 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時，水泵的輸出 功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H計算機控制技術(shù)課程答辯論文 10 及出水流量 Q 的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比；管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的平方成正比。系統(tǒng)主要的任務(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，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進行傳輸和監(jiān)控。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC 的硬件配置和 I/O 的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC 機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試 方便。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時，需進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。 (2) 當用水量增加水壓減小時，壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終水泵的轉(zhuǎn)速達到另一個新的穩(wěn)定值。另外，變頻 器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是 0HZ。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足了機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。 4. 運行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費用，并且水泵的壽命大大提高。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點； PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控 制。本系統(tǒng)中要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。另外選擇西門子的 變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信。因此本設(shè)計中選擇電機功率為 75KW 的上海 熊貓機械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺電 機分別為 M M M3，它們分別帶動水泵 3。而且變頻器的輸出端 絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點，當電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。 圖中的 HL10 為自動運行狀態(tài)電源指示燈。 （ 2）自動控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動狀態(tài)下。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運行；夜計算機控制技術(shù)課程答辯論文 24 間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運行。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個輸入量，其中包括 4個數(shù)字量和 1個模擬量。 計算機控制技術(shù)課程答辯論文 26 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在 水壓降落時要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺水泵工作不能滿足恒壓要求時，需啟動第二臺水泵。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。語句表 (STL)語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領(lǐng)域的工程計算機控制技術(shù)課程答辯論文 27 人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。 (2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當 PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運行上限頻率（或小于等于變頻運行下限頻率）且水泵。功能塊圖 (FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸 入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。利用定時器中 斷功能實現(xiàn) PID 控制的定時采樣及輸出控制。這一功能可通過比較指令實現(xiàn)。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個數(shù)字量輸出信號和 1 個模擬量輸出信號。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺變頻泵長時間工作的情況下。 輸出 1水泵工頻運 行信號， 輸出 1水泵變頻運行信號，當 輸出 1 時， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運行指示燈 HL1 點亮，同時 KM1 的常閉觸點斷開，實現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。圖中的 ~及 ~ 為 PLC的輸出繼電器觸點，他們旁邊的 8等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 計算機控制技術(shù)課程答辯論文 21 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計 系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性 直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運行性能。為監(jiān)控電機負載運行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號送至上位機來顯示。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3 臺水泵中只有 1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 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間過長。在運行過程中，當壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時的用水量又達不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個數(shù)字量輸入，當壓力超出上限時，關(guān)閉所有水泵并進行報警輸出 [13]。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 U/f控制變頻器。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸入形式為 +24V 直流輸入。 6. 通過通信控制，可以實現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網(wǎng)，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。 (3) 當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下節(jié)有詳細闡述 )時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將在 PLC 的控制下自動投入水泵 M2(變 速運行 )，同時變頻泵M1 做工頻運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達到設(shè)定值為止。 變頻恒壓供水系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。信號有效時，控制 用 戶M壓 力 變 送 器變 頻 器P L C( 含 P I D )液 位 變 送 器水 池水 泵 機 組管 網(wǎng) 壓 力 信 號報 警 信 號水 池 水 位 信 號 圖 系統(tǒng)要 對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。該系統(tǒng)能適用于各類 不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機組的容量大小無關(guān)。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè) 備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。 HH 2H 1H 00 Q 2Q 1 Qn 1n 2EFDb 1b 2b 3 圖 管網(wǎng)及水泵的運行特性曲線 當用閥門控制時，若供水量高峰水泵工作在 E 點，流量為 Q1，揚程為 H0，當供水量從 Q1減小到 Q2時，必須關(guān)小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 b3移到 b1，揚程特性曲線不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖 中 A 點。 變 頻恒壓 供水 系統(tǒng)的節(jié)能原理 恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。例如：當流量下降到 80％ ，轉(zhuǎn)速也下降到80％ 時，其軸功率則下降到額定功率的 51％ ；當流量降到 50％ ，軸功率將下降到額定功率的 13％ ，即使考慮到由于轉(zhuǎn)速降低引起效率下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。 從上式可知，三相異步電動機的調(diào)速方法有： (l) 改變電源頻率 (2) 改變電機極對數(shù) (3) 改變轉(zhuǎn)差率 由交流感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速公式 n=60f 1/p*(1s) （式中 n— 電機轉(zhuǎn)速 。 S7200 有 5種 CPU模塊，最多可擴展 7 個擴展模塊，擴展到 248 點數(shù)字量 I/O 或 38路模擬量 I/O，最多有 30 多 KB 的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間； (2) 先進的程序結(jié)構(gòu)，功能強大、使用方便的編程軟件； (3) 靈活方便的尋址方法； 計算機控制技術(shù)課程答辯論文 6 (4) 強大的通信功能和品種豐富的配套人機界面； (5) 有競爭力的價格； (6) 完善的網(wǎng)上技術(shù)支持等。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。限于當時的元器件條件及計算機發(fā)展水平，早期的 PLC 主要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完