【文章內(nèi)容簡介】 出口與之進行分配。 （ 3）設(shè)計 PLC 程序 畫出梯形圖 。 梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能及其相互關(guān)系。 （ 4）實現(xiàn)用計算機對 PLC的梯形圖的直接編程。 （ 5）對程序進行調(diào)試（模擬和現(xiàn)場）。 （ 6）保存已完成的程序。 顯然，在建立一個 PLC控制系統(tǒng)時，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來，然后按需要確定各種控制動作的順序和各個控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進行編程的第二步 分配輸入輸出設(shè)備。在分配了PLC 的輸入輸出點，內(nèi)部輔助繼電器，定時器，計數(shù)器之后，就可以設(shè)計 PLC 程序 畫出梯形圖。在畫梯形圖時要注意每個從左邊開始的邏輯行必須終止于一個繼電器線圈或定時器，計數(shù)器，與實際的電路圖不一樣。梯形圖畫好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計算機并下裝到 PLC進行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設(shè)計的整個過程。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 6 3 消防給水系統(tǒng)的特性及原理 給水系統(tǒng)基本特性 給水系統(tǒng)的參數(shù)表明了給水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用給水系統(tǒng)的特性曲線直觀地反映，主要有揚程特性曲線和 管阻特性曲線。見圖 。水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q之間的關(guān)系曲線 f（ Q）。由圖 可以看出，流量 Q越大，揚程 H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于消防的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程 H 與用水流量 Qv 之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程 H與流量 Q之間的關(guān)系 H=f(Qv)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的 水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程 H越大，流量 Q 也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，給水系統(tǒng)向消防的給水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與給水流量 Qg 之間的關(guān)系 H=f(Qg)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為給水系統(tǒng)的工作點，如圖 中 A點。在這一點，消防的用水流量 Qv和給水系統(tǒng)的給水流量 Qg 處于平衡狀態(tài)，給水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。 圖 給水系統(tǒng)的基本特性 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 7 給水系統(tǒng)實現(xiàn)方式 實現(xiàn)對 給水系統(tǒng)的控制就是為了滿足消防對流量的需求。所以，流量是給水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚程與給水能力 (由流量Qg表示 )和用水需求 (由用水流量 Qg表示 )之間的平衡情況有關(guān)。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P 上升 。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P 下降 。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P 不變。 由此可見，流體壓力 P 的變化反映了給水能力 Qg與用水需求 Qv 之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓給水就能保證給水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了消防所需的用水流量。將來消防需求發(fā)生變化時，需要對給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實現(xiàn)的。 常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 閥門控制法 轉(zhuǎn)速保持不變，通過調(diào)節(jié)閥門的開度大小來調(diào)節(jié)流量。 實質(zhì)是水泵本身的給水能力不變，而通過改變水路中的阻力大小 來強行改變流量大小，以適應(yīng)消防對流量的需求。這時的管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。 轉(zhuǎn)速控制法 閥門開度保持不變，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量。 實質(zhì)是通過改變水泵的給水能力來適應(yīng)消防對流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 異步電動機調(diào)速的方法及其原理 通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓給水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是異步電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) [9][10]。 異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為： %10011 ??? n nns （ ） 異步電機的同步速度為： pfn 601 ? （ ） 異步電機的轉(zhuǎn)速為： psfn )1(60 ?? （ ） 其中： s為轉(zhuǎn)速差； n1為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速， r/min； n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速， r/min； f 是異步電機的定子電源頻率； p為異步電機的極對數(shù)。 可知調(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)速。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 8 變極調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于給水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。 變轉(zhuǎn)差調(diào)速 通過改變電動機的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的改變。 三相異步電動機的轉(zhuǎn)子銅損耗為： emCu sPrIP ?? 39。39。3 2222 （ ） 該損耗和電機的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動機工作在額定狀態(tài)時，轉(zhuǎn)差率 s 很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機效率高。但在給水系統(tǒng)中由轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓給水時，為適應(yīng)流量的變化，電機一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠低于額定轉(zhuǎn)速，此時的轉(zhuǎn)差率 s 增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機運行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率 通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。 因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用于恒壓給水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法 。 變頻調(diào)速 從公式 ()可知，當(dāng)極對數(shù) p 不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與定子電源頻率 f 成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 這種調(diào)速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為 VVVF (Variable voltage Variable Frequency)。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通 m? 基本不變，其關(guān)系為： U1/f1=常數(shù) 式中： U1為變頻器輸出電壓； f1為變頻器輸出頻率。 變頻調(diào)速方式時，電動機的機械特性表達式： ? ? ???????? ???????? ??2212211221139。39。2/39。xxsrrfsrpUmT? （ ） 式中： m1為電機相數(shù)； r1為定子電阻； X1為定子漏電抗； x2’為轉(zhuǎn)子漏電抗折算值。 頻率 f從額定值 fn 往下調(diào)時， 電機機械特性的變化情況，如圖 所示。圖中 Fnf1f2f3f3f4。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 9 nT0fNf1f2f3f4 圖 變頻調(diào)速機械特性 水泵調(diào)速運行節(jié)能原理 在給水系統(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。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。其實質(zhì)是通過改變水路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨著閥門開度的改變而改變，但其揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門的開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要 造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過改變水的動能改變流量 [。因此，揚程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻的特性不變。變頻調(diào)速給水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)消防用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。 Q ( m3/ s )H ( m / s )Q1Q2H1H00FDEn1n2β1β2β3H2 圖 管網(wǎng)及水泵的運行特征曲線 用閥門控制時，若給水量高峰期水泵工作在 E 點，流量為 Q1，揚程為 H0，當(dāng)給水 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β 3移到β 1，揚程特性曲線不變。而揚程則從 H0上升到 H!，運行的工況點從 E 點移到 F點，此時水泵輸出功率用圖形表示為 (0 ,Q1 ,F ,H1)圍成矩形部分，其值為 : 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 10 ??102 21QHPd ? （ ） 用調(diào)速控制時，若采用恒壓 (H0)、變速泵 (n2)給水，管阻特 性曲線為β 2，揚程特性變?yōu)榍€ n2，工作點從 E 點移到 D 點。此時水泵輸出功率用圖形表示為(0 ,Q2 ,D ,H0)圍成的矩形面積，其值為： ??102 20QHPf ? （ ） 可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為 (H0,D ,F ,H1)圍成的矩形面積，其值為： ?????? 102 )(102102 2022021 QHHQHQHPPP df ??????? （ ） 所以，當(dāng)用閥門控制流量時，有功率?? 102 )( 201 QHH ?被浪費掉。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是1H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。 根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： 1212 NN ? ； 21212 ????????? NNHH ； 31212 ????????? NNPP （ ） 式中， Q H P1 為變速前的流量、揚程、功率， Q H P2 為變速后的流量、揚程、功率。 由公式 ()可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式給水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 11 4 給水泵組及控制要求及控制系統(tǒng) 變頻給水泵組 變頻給水泵組通常由 2~4臺相同功率及類型相同的水泵并聯(lián)運行，為維修、安裝及減振需要，每臺泵的進出水管上必須裝有閥門、止回閥、橡膠接頭等配件。 由 4臺水泵構(gòu)成的變頻泵組實例如 下圖： 圖 變頻給水泵組 自來水進水閥 液壓水位控制閥 浮球閥 儲水箱 閥門 橡膠接頭 水泵 橡膠接頭 止回閥 閥門 1出水總管 泵組的控制要求 對變頻給水泵組的控制要求是 PLC 程序設(shè)計的依據(jù)，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)及程序之前必須確定具體的控制要求。 為節(jié)省控制成本，可采用一臺變頻器對 4臺水泵進行變頻控制。常規(guī)的變頻器均集成有 PID 閉環(huán)控制功能，如使用變頻器的 PID 功能，則 PLC就僅 負責(zé)控制水泵的切換。 控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過壓力傳感器對消防管網(wǎng)壓力進行實時采樣，并與設(shè) 定壓力值比較，根據(jù)壓力偏差來控制變頻泵的速度及定量泵的啟、停，實現(xiàn)恒壓、變量的供水，以達到節(jié)能、恒壓的目的。 其控制要求是： 當(dāng)消防管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時，控制器通過壓力傳感器檢測，輸出控制信號啟動其中一臺水泵作變頻運行，通過控制變頻泵使消防管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力值相等。如消防用水量較大，變頻器輸出頻率達到 50Hz , 變頻泵達到最高轉(zhuǎn)速，而消防管網(wǎng)壓力仍然低于設(shè)定壓力，控制器將變頻泵切換成工頻運行，待變頻器輸出頻率 下降至最低值時再變頻軟啟動另一臺水泵，由一臺工頻泵和一臺變量泵同時供水。經(jīng)過變量泵基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計 12 的切換調(diào)節(jié)，如管網(wǎng)壓力仍低于設(shè)定值，控制器則以同樣的方式將運行頻率為 50Hz的變頻泵切換成工頻運行，而后繼續(xù)軟啟動另外一臺水泵作變頻運行，直至滿足消防用水要求為