【正文】 (3) 對上位機(jī)組 態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 。 實(shí)際控制中多采用增量式 PID 控 制算法，其表達(dá)式為： ? ?? ?( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 )( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2)PIDu n u n u n K e n e nK e n K e n e n e n? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 式中： ()un? 為調(diào)節(jié)器輸出的控制增量 ；IPITKKT?； DDPTKKT?。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用 Proportional(比 例 )、Integral(積分 )、 Derivative(微分 )控制方式，稱之為 PID 控制。而試燈按鈕按下時(shí)，各指示燈會一直點(diǎn)亮。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(gè)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(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。 (2) 在用水量小的情況下，如果一臺水泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)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(shí)間過基于 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) 24 長。 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) 22 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。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(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。 由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ。 根據(jù)水泵機(jī)組中水泵被變頻器拖動(dòng)的情況不同，變頻器有兩種工作方式即變頻循環(huán)式和變頻固定式，變頻循環(huán)式即變頻 器拖動(dòng)某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)先將變頻器從該水泵電機(jī)中脫出，將該泵切換為工頻的同時(shí)用變頻 器 拖動(dòng)另一臺水泵電機(jī) ； 變頻固定式是變頻器拖動(dòng)某一臺水泵作為調(diào)速泵，當(dāng)這臺水泵運(yùn)行在 50Hz 時(shí)，其供水量仍不能達(dá)到用水要求，需要增加水泵機(jī)組時(shí)，系統(tǒng)直接啟動(dòng)另一臺恒速水泵，變頻器不做切換，變頻器固定拖動(dòng)的水泵在系統(tǒng)運(yùn)行前可 以選擇， 本 設(shè)計(jì)中采用 前 者 。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P 與轉(zhuǎn)速 n 三次方成 正 比，即 ： 1P kHQ? （ ） 2n kQ? （ ） 23H kQ? () 3P kn? () 式中 k、 k k k3 為比例常數(shù)。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量 Qc 之間的關(guān)系H=f(Qc)。各水泵切換遵循先起先停、先停先起原則。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物 。 (3) 水塔高位水箱供水具有控制方式簡單、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理、短時(shí)間維修或停電可 3 不停水等優(yōu)點(diǎn)，但存在基建投資大，占地面積大，維護(hù)不方便，水泵電機(jī)為硬起動(dòng)，啟動(dòng)電流大等缺點(diǎn)，頻繁起動(dòng)易損壞聯(lián)軸器，目前主要應(yīng)用于高層建筑。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入 PLC 與設(shè)定值比較后進(jìn)行 PID 運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模 擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 目前， PLC 在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一。但是，單一地調(diào)節(jié)電源頻率，將導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行性能惡化。其實(shí)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(yáng)程特性不變。此信號是模擬信號，讀入 PLC 時(shí)，需進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 (2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)， 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(dá) 到另一個(gè)新的穩(wěn)定值。 如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動(dòng)投切的機(jī)組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī) 組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中， 實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。接觸器 KM KM3 分別控制M M2 的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM4 分別控制 M M2 的變頻運(yùn)行； FR FR2 分別為 兩 臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QSQS3 分別為變頻器和兩 臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。當(dāng)采用手動(dòng)控制時(shí)，必須采用自 耦 變壓器降壓啟動(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。 （ 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。壓力變送器將測得的管網(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；開關(guān) SA1 用來控制白天 /夜間兩種模式之間的切換，它作為開關(guān)量輸入 ； 液位變送器把測得的水池水位轉(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；開關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號，用于手動(dòng)檢測各指示燈是否正常工作。主程序的功能最多，如 泵切換信號的生基于 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的綜合及報(bào)警處理等都在主程序。 (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)行說明。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。積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。 該系統(tǒng)利用單臺變頻器實(shí)現(xiàn)多臺水泵電機(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)?；?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。 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) 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)。 1泵的運(yùn)行控制情況與 2泵相似，在此就不再重復(fù)。 (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)變頻泵號加一，并產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號和下一臺水泵變頻啟動(dòng)脈沖信號，延時(shí)后啟動(dòng)運(yùn)行。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。AC。只有當(dāng) SB2按下時(shí)才會切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路 (如直接使 熔 斷 器或隔離開關(guān) 斷開 )，而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停。 EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 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機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。由于電信號為模擬量，故必須通過 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)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，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。 (2) 信號檢測機(jī)構(gòu) ： 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括 管網(wǎng)水壓信號、水池水 位信號和報(bào)警信號。 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。 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。 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。 4 PLC 概述 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡稱 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。 本系統(tǒng)包含 兩 臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。 (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)開發(fā)周期比較長，對操作員的素質(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。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。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，對程序進(jìn)行調(diào)試和修改并設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng) 。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。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)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動(dòng)、供水水源中斷造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，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。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隨著電機(jī)頻率的下降而下降。 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)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)， 對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。 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電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號 送至上位機(jī)來顯示。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，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。 (3) 考慮節(jié)能和水泵壽命的因素，各水泵切換遵循先啟先停、先停先啟原則。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻 /工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量 (壓力、頻率 )比較計(jì)算程序 和報(bào)警程序等構(gòu)成。 由于變頻恒壓供水系統(tǒng)主程序梯形圖比較復(fù)雜，不方便全部畫出， 在此僅畫出其控制過程的流程圖。具有 理論成熟，算法簡單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握 等優(yōu)點(diǎn) 。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)存 儲現(xiàn)場控制點(diǎn)的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。通過變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)對水壓的調(diào)節(jié)。數(shù)字 PID 控制算法是通過對式()離散化來實(shí)現(xiàn)的。具體程序梯形圖如圖 所示。 (6) 報(bào)警及故障處理程序 本系統(tǒng)中包括水池水位越限報(bào)警指示燈、變頻器故障報(bào)警指示燈白天模