【文章內(nèi)容簡介】 壓或電流輸出信號，提供給執(zhí)行機構。4)擴展模塊：當一個PLC中心單元的I／O點數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強大和完善。智能I／O接口模塊種類很多，例如高速技術模塊、PLCA控制模塊、數(shù)字位置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能I／O模塊等。5)編程器：它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。目前編程器主要有以下三種類型：便攜式編程器(也叫簡易編程器)；圖形編程器；用于IBM—PC及其兼容機的編程器。便于攜帶的特點，一般只能用指令形式編程，通過按鍵輸入指令，通過數(shù)碼管或液晶顯示器加以顯示、這種編程器適合小型可編程控制器的編程要求。圖形編程器以液晶顯示器(LCD)或陰極射線管(CRT)作屏幕，用來顯示編程內(nèi)容和提供如輸入、輸出、輔助繼電器的占有情況、程序容量等各種信息，還可在調(diào)試程序、檢查程序執(zhí)行時顯示各種信號狀態(tài)、出錯提示等。使用圖形編程器可以月多種編程語言編程，梯形圖顯示在屏幕上十分直觀。圖形編程器還可與打印機、錄音機、繪畫儀等設備連接，有較強的監(jiān)控功能。但它的價格高，適用于中、大型可編程控制器的編程要求。用于IBM—PC及其兼容機的編程器是個人計算機加上適當?shù)挠布涌诤蛙浖鳛榫幊唐?，也可直接編制成梯形圖，其監(jiān)控功能也很強。編程器工作方式主要有編程和監(jiān)控兩種，編程工作方式是在PLC機處于停機狀態(tài)時可以進行編程，它的功能主要是輸入新的程序，或者對已有的程序予以編輯和修改。監(jiān)控工作方式可以對運行中的控制器工作狀態(tài)進行監(jiān)視和跟蹤，一般可以對某一線圈或觸點的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，也可以對成組器件的工作狀態(tài)進行監(jiān)視，還可以跟蹤某一器件在不同時間的工作狀態(tài)，除搜索、監(jiān)視、跟蹤外，還可以對一些器件進行操作。因此編程器的監(jiān)控方式對控制器中新輸入程序的調(diào)試與試運行是非常有用和方便的。編程器的結構一般包括顯示部分與鍵盤部分。顯示一般用液晶顯示器，主要的顯示內(nèi)容包括地址、數(shù)據(jù)、工作方式、指令執(zhí)行情況及系統(tǒng)工作狀態(tài)等。鍵盤有單功能鍵和雙功能鍵，在使用雙功能鍵的時候鍵盤中都備有一個選擇鍵，以選擇其中一種方式工作。 現(xiàn)在產(chǎn)品越來越模塊化，可編程控制器也不例外，它的結構緊密、堅固，外形小巧，CPU本身只提供了一定數(shù)量的數(shù)字輸入和輸出點數(shù)。不同廠家、不同型號的PLC的輸入／輸出點數(shù)也不同，有的大型機輸入／輸出點數(shù)可達16K，而很多小型機僅有10來點，而且CPU本身不帶模擬輸入與輸出，但CPU一般都帶有擴展接口。因此，用戶選型后，所需的輸入或輸出點數(shù)不夠時，就需對系統(tǒng)做出必要的擴展，各個廠家也生產(chǎn)了專用于擴展用的各模板供用戶選用。擴展模板的外形一般也小巧、堅固，有易于接線的端子排，帶有擴展總線或通過總線連接器與CPU相連。主要有數(shù)字輸入／輸出模板，模擬輸入／輸出模板，熱電阻、熱電偶擴展模板，還有智能模板等許多具有專用功能的特殊模板。用擴展模板來擴展系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點：用戶可根據(jù)自己時間控制系統(tǒng)的要求，選用各種合適的擴展模塊對PLC作硬件組態(tài)，以求達到各種功能或控制精度，同時節(jié)省開支，減少不必要的投資。當己運行的系統(tǒng)需要改造或擴充時，PLC可以隨時進行升級或改版，所作的工作僅僅是替換或增加擴展模板和修改相應的控制軟件。特殊模板及智能模板的開發(fā)將進一步擴展可編程控制的功能，專用模板的開發(fā)不僅擴大了可編程控制系統(tǒng)的控制功能，而且將進一步提高控制質(zhì)量與可靠性。PLC的軟件可分為系統(tǒng)軟件和用戶程序兩大部分： 1)系統(tǒng)軟件：也稱之為常駐的操作系統(tǒng)軟件。它又包括基本控制單元軟件和編程軟件兩部分。另外，一些特殊功能模塊也帶有自己的操作系統(tǒng)軟件。通常，一個PLC機架只能容納一定數(shù)量的模塊插件，這種包含主機模塊和部分I／O模塊的機架稱為基本控制單元?；究刂茊卧浖袒谥鳈C模塊的EPROM中，其主要功能為：進行PLC自身的管理和監(jiān)督(如開機自檢，運行中監(jiān)督CPU、電池電壓是否正常)；循環(huán)解釋運行用戶程序；集中進行輸入信號的掃描和輸出控制的更新編程器軟件用來支持用戶程序的輸入，也可以用來監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行過程。當用戶程序己裝入PLC的存儲器，編程器就可以被分離，基本控制單元將自動進入執(zhí)行用戶程序狀態(tài)?？紤]到PLC內(nèi)部結構的復雜性，系統(tǒng)軟件應有專業(yè)技術人員進行設計，一般用戶不允許直接設計系統(tǒng)的內(nèi)部操作。 2)用戶程序：這是用戶應用PLC進行控制所需要編制的程序。目前，在PLC中普遍使用梯形圖編程方法。這種編程方法是在傳統(tǒng)繼電器梯形圖基礎上進行一定演變而形成的，突出了各編程原件之間的邏輯關系。與硬接線的梯形圖不同，PLC梯形圖邏輯是由軟件實現(xiàn)的，因此既形象直觀便于編寫，又易于擴展和修改功能。 變頻恒壓供水系統(tǒng)特點及其安全性討論 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用于生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，在本文中主要應用于生活小區(qū)生活用水，該系統(tǒng)具有以下特點： 1)滯后性：供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個過程控制量，同其他一些過程控制量(如：溫度、流量、濃度等)一樣，對控制作用的響應具有滯后性，同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應。 2)非線形：用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響，同時又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)。 3)多變性：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結構、用水量和揚程等方面存在著較大的差異，因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 4)時變性：在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泵的停止和運行)是時時發(fā)生的，同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認為：變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。 5)容錯性：當出現(xiàn)意外的情況(如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等)時，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動進行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進行供水。 6)可擴充性：水泵的電氣控制柜，具有遠程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號或控制軟件相連，能對供水的相關數(shù)據(jù)進行實時傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報表打印等。 7)節(jié)能性：系統(tǒng)用變頻器進行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對每臺水泵進行軟啟動，啟動電流可從0到電機額定電流，減少了啟動電流對電網(wǎng)的沖擊的同時減少了啟動慣性對設備的大慣量的轉(zhuǎn)速沖擊，延長了設備的使用壽命。影響供水系統(tǒng)安全性的一大因素便是水錘效應，所謂的水錘效應就是在極短時間內(nèi)，因水流量的急巨變化，引起在管道的壓強過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣的現(xiàn)象。水錘效應具有極大的破壞性。壓強過高，將引起管子的破裂；壓強過低又會導致管子的癟塌。此外，水錘效應還可能損壞閥門和固定件。而采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處： 1)產(chǎn)生水錘效應的根本原因是：水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)消除水錘效應，減少了對水泵及管道系統(tǒng)所受的沖擊，可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命大大延長。 3)變頻調(diào)速的軟啟動器避免了電機和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。 4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。 本課題的主要研究內(nèi)容本文主要通過對現(xiàn)有供水系統(tǒng)的調(diào)研和分析，依據(jù)用戶對供水系統(tǒng)的要求，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設備變頻器和PLc作為主要控制設備來設計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計算機對供水系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與管理，保證整個系統(tǒng)運行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的運行工況。具體而言，論文包括以下內(nèi)容： 1)論文在對課題進行分析和研究的基礎上，提出了系統(tǒng)的設計方案和思路，確定論文主要的研究內(nèi)容和研究方法； 2)分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。 3)論文就變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的設計做了詳細的分析和研究。從用戶的需求入手確定合適的設備選型；詳細分析全自動變頻恒壓運行方式水泵運行的各種工況及其轉(zhuǎn)換過程，討論PLc的程序設計方法及程序執(zhí)行特點，并在此基礎上提出供水系統(tǒng)控制程序的功能模塊和設計方案；在介紹PID調(diào)節(jié)原理的基礎上，分析利用PID調(diào)節(jié)原理實現(xiàn)恒壓供水的調(diào)節(jié)過程，給出PID參數(shù)設置方法；最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。 4)通過計算機和PLc的通信，實現(xiàn)供水系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時遠程監(jiān)控是本論文的一個特色之處。論文介紹了計算機和PLc通信系統(tǒng)的組成和通信協(xié)議，給出了通信程序，并提出供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計方法。第2章 系統(tǒng)的理論分析及方案的確定 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)如圖2．1所示。由圖2．1可以看出，流量Q越大，揚程H越小。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用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量Q（U）間的關系。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之間的關系H=f（Qu）。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，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量Qc之間的關系H=f（Qc）。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2．1中A點。在這一點，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)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。HA揚程特性管阻特性AQAQH 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由異步電動機驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)異步電機的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。異步電機的轉(zhuǎn)差率定義為： S=n1nn1 （21）異步電機的同步速度為： f=60fp （22）異步電機的轉(zhuǎn)速為： f=60fp（1s） （23） 其中：n1為異步電機的理想空載轉(zhuǎn)速；n為異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；f為異步電機的定子電源頻率；p為異步電機的極對數(shù)。從上式可知，當極對數(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。變頻調(diào)速時，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電動機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調(diào)速。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。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，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(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，揚程特性將水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶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，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。HH2H1H0En2 DFβ1β3n10Q2Q1Q 當用閥門控制時，若供水量高峰期水泵工作在E點，流量為Ql，揚程為H0，當供水量從Q1減小到Q2時，必須關小閥門，這時閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從屬移到屆，揚程特性曲線不變。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率用圖形表示為(0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： Pf=γH1Q2102η （24） 當用調(diào)速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，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： Pd=γH0Q2102η