【正文】 起讀圖。 系統(tǒng)控制 電路分析及 其 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。 為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過(guò)電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號(hào) 送至上位機(jī)來(lái)顯示。 本系統(tǒng) 采用 兩 泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式 ，即 2 臺(tái)水 泵中 1 臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行， 另一臺(tái) 水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 3h，則要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)， 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。這樣的工作狀態(tài)既無(wú)法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己 經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。 反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時(shí)，通過(guò)壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。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(guò)載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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。另外為加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，還需對(duì)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(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以送給 PLC，作為數(shù)字量輸入 ；水池水 位信號(hào)反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。而揚(yáng)程則從 H0 上升到 H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從 E 點(diǎn)移到 F 點(diǎn)， 此時(shí)水泵的輸出功率正比于 H1 Q2。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開(kāi)度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量 Qu 和供水系統(tǒng)的供水流量Qc 處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿 足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。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。硬件設(shè)備選型、 PLC選型，估算所需 I/O 點(diǎn)數(shù)，進(jìn)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(diǎn)數(shù)，列出 I/O 分配表，熟練使用相關(guān)軟件，設(shè)計(jì)梯形圖控制程序，對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng) 。 西門子 S7200PLC 簡(jiǎn)介 西門子公司具有品種非常豐富的 PLC 產(chǎn)品。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、 5 模擬量運(yùn)算、 PID 功能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì) 。 (5) 單片機(jī)變頻調(diào)速供水系統(tǒng)也能做到變頻調(diào)速，自動(dòng)化程度要優(yōu)于上面 4 種供水方式，但是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期比較長(zhǎng)，對(duì)操作員的素質(zhì)要求比較高，可靠性比較低，維修不方便，且不適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。通過(guò)工控機(jī)與 PLC 的連接，采用組態(tài)軟件完成系統(tǒng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)、報(bào)警的查詢。 本系統(tǒng)包含 兩 臺(tái)水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。 (2) 氣壓罐供水具有體積小、技術(shù)簡(jiǎn)單、不受高度限制等特點(diǎn)，但此方式調(diào)節(jié)量小、水泵電機(jī)為硬起動(dòng)且起動(dòng)頻繁，對(duì)電器 設(shè)備要求較高、系統(tǒng)維護(hù)工作量大，而且為減少水泵起動(dòng)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(wú)謂的增高，也使浪費(fèi)加大，從而限制了其發(fā)展。 4 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC(Programmable logic Controller)，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。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(yǔ)言 [5] ，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。 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。 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(cè)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。 根據(jù)公式可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速 n 基本上與電源頻率 f 成正比。由于閥門開(kāi)度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)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。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率 P 與管網(wǎng)的水壓 H 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。 (2) 信號(hào)檢測(cè)機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括 管網(wǎng)水壓信號(hào)、水池水 位信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的壓力、液位、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵機(jī)組 )進(jìn)行控制 ； 變頻器是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。由于電信號(hào)為模擬量，故必須通過(guò) PLC的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)作為變頻器的輸入信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用 戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。那么何時(shí)進(jìn)行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。 若出現(xiàn) sfPP? 時(shí)就 進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下 就超過(guò)了設(shè)定壓力。因此我們?cè)谶x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。 EM235 模塊可以針對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，通過(guò) DIP 開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置。變頻和工頻兩個(gè)回路不允許同時(shí)接通。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開(kāi)主電路 (如直接使 熔 斷 器或隔離開(kāi)關(guān) 斷開(kāi) )，而必須通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕 SB1~SB4 控制 兩 臺(tái)水泵的啟 /停；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運(yùn)行。只有當(dāng) SB2按下時(shí)才會(huì)切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高 恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。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。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。梯形圖 (LAD)語(yǔ)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(yǔ) 言，與計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級(jí)語(yǔ)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。 (3) 水泵的軟啟動(dòng)程序 增減泵或倒泵時(shí)復(fù)位變頻器為軟啟動(dòng)做準(zhǔn)備，同時(shí)變頻泵號(hào)加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)和下一臺(tái)水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號(hào)，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)故障信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，同時(shí)報(bào)警電鈴響起。 1泵的運(yùn)行控制情況與 2泵相似，在此就不再重復(fù)。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 35 圖 PID 控制中斷子程序 INT_0 梯形圖 PID 控制器參數(shù)整定 PID 控制及其控制算法 在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了 含 PID 調(diào)節(jié)的 PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)中的壓力恒定 。 (2) 積分環(huán)節(jié) ： 表明控制器的輸出與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到PID 位置控制算法表達(dá)式 ： ? ?0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )n dP ji TTu n K e n e j e n e nTT???? ? ? ? ?????? （ ） 式中 ： T 為采樣周期 ； n 為采樣序號(hào) ； e(n)為第 n 時(shí)刻的偏差信號(hào) ；e(n? l)為第 n? 1 時(shí)刻的偏差信號(hào) 。 系統(tǒng)運(yùn)行主監(jiān)控界面如圖 所示，主界面實(shí)時(shí)顯示了 當(dāng)前時(shí)間，設(shè)定的水 壓值和當(dāng)前水壓值，系統(tǒng)的自動(dòng) /手動(dòng)運(yùn)行情況，兩 臺(tái)水泵變頻 /工頻運(yùn)行狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、運(yùn)行頻率， 各設(shè)備的故障報(bào)警顯示等。 (2) 通過(guò)對(duì)控制過(guò)程和原理的分析，利用西門子 STEP7 MicroWIN 編程軟件設(shè)計(jì)了一個(gè) 用于恒壓供水系統(tǒng)的程序，本程序包括順序控制主 程序，初始化子程序和中斷子程序三部分。基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 附錄 42 參考文獻(xiàn) .變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討 [J],蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào) ,20xx,1:8488 .變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,20xx,135137 ,毛宗源 .變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J],電子技術(shù)應(yīng)用 ,20xx,2:3839 4. 張燕賓 .SPWM 變頻 調(diào) 速 應(yīng)用 技 術(shù) [M]. 北京 : 機(jī)械 工 業(yè)出 版社 ,20xx,244251 Logic Controller[J],the free wikipedia encyclopedia,20xx,3:18 .PLC 編程及應(yīng)用。 根據(jù)泵站監(jiān)控要求， 利用組態(tài)王軟件 完成了泵站組態(tài)監(jiān)控畫面的 各個(gè)功能的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)界面清楚明了，易于操作，能動(dòng)態(tài)地顯示當(dāng)前運(yùn)行情況、當(dāng)前水壓以及故障情況。 該系統(tǒng)利用單臺(tái)變頻器實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，摒棄了原有的自 耦 降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)控制 系統(tǒng)。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 38 5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介 組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、第三方程序接口組件和控制功能組件組成。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。 PID 控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。假設(shè)所選變頻器的輸出頻率范圍為 0~100HZ，則上下限給定值分別為 16000 和 6400。 故障發(fā)生后重新設(shè)定變頻泵號(hào)和工頻泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)，在故障結(jié)束后產(chǎn)生故障結(jié)束脈沖信號(hào)。 (4) 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯 程序 各水泵變頻運(yùn)行控制邏輯大體上是相同的，現(xiàn)在只以 1水泵為例進(jìn)行說(shuō)明。 PLC 控制程序由一個(gè)主程序、若干子程序構(gòu)成，程序的編制在計(jì)算機(jī)上完成，編譯后通過(guò) PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC，控制任務(wù)的完成，是通過(guò)在 RUN 模式下主機(jī)循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主程序的功能最多，如 泵切換信號(hào)的生基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 軟件設(shè)計(jì) 28 成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。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，在程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。壓力變送器將測(cè)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(kāi)關(guān) SA1 用來(lái)控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入 ； 液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 26 電信號(hào)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(hào)；開(kāi)關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。 倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 （ 2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。對(duì)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(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)中間繼電器 KA 的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自 耦 變壓器降壓?jiǎn)?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。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時(shí)，也必須 先將工頻接觸器斷開(kāi)，基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)