【文章內(nèi)容簡介】 圖31 PLC外部端口分布圖 變頻器 變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。 變頻器的變頻節(jié)能原理變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。 本次設計變頻器的選型本系統(tǒng)要實現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器應具有通訊功能。根據(jù)控制功能的不同，通用變頻器種類不同。由于本次設計采用的PLC是浙江中控PAC240型號，為了方便PLC和變頻器之間的通信，且充分利用實驗室設備，我們選擇施耐德ATV312HU15N4變頻器。對于此次所選的施耐德ATV312HU15N4變頻器，其性能描述如下所示：（1） 提供簡易型和多功能下載器，方便參數(shù)配置；（2）全部涂層，適應各種惡劣環(huán)境，變頻器頂部提供IP41防護等級；（3）可拆卸端子模塊化設計，節(jié)省成本，安裝方便；（4）同級別最高耐壓，標準電壓波動15%~10%，允許電壓跌落50%；（5）M2和N4內(nèi)置EMC濾波器；（6）最寬工作溫度， 10℃ ~+50 ℃不降容，最高可達+60 ℃；（7）超強輸出特性，內(nèi)置制動單元，過力矩至170%～200%；（8）并排安裝，節(jié)省空間。在本設計中變頻器用于維持供水系統(tǒng)運行的平穩(wěn)可靠，實現(xiàn)真正意義上的無人職守的全自動循環(huán)倒泵、變頻運行，保證各臺水泵運行效率的最優(yōu)和設備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)啟動平穩(wěn)，消除啟動大電流沖擊，降低泵的平均轉(zhuǎn)速，從而可延長泵的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。 施耐德ATV312HU15N4變頻器的結構框圖如下圖32，端子的功能表如下表32和表33所示。圖32 變頻器結構圖表 32 變頻器電源端子功能表名稱功能R/L1S/L2T/L3電源PO直流母線+極性PA/+到制動電阻（+極）的輸出PB到制動電阻（+極）的輸出PC/ 直流母線—極性續(xù)表 32 變頻器電源端子功能表U/T1V/T2W/T3 到電機的輸出接地端子表 33 變頻器產(chǎn)品型號及參數(shù) 名 稱 功 能 性 能 R1AC R1共用C/O 觸點帶有電阻性負載時的最大開關容量： 250VAC和30V時為5A；帶有電感性負載時的最大開關容量： R2AR2C 繼電器R2 N/O 觸點 COM模擬I/O公共端 0V AI1模擬輸入電壓 模擬輸入0—10V（最高安全電壓30V） 10V給定電位計電源+10V（8%—0%），最大10mA，防止短路和過載 AI2模擬輸入電壓雙極模擬輸入0（最高安全電壓）AI2極性會影響設定點方向，也影響操作方向 AI3模擬輸入電流 模擬輸入XY mA，XY可為020mA COM模擬I/O公共端 0V AOV模擬輸出電壓模擬輸出0至10V，最低負載阻抗470Ω或模擬輸出XYmA，X和Y可設定為0至20mA；模擬輸出可配置為AOC的24V邏輯輸出 AOC模擬輸出電流 24V 邏輯輸入電流24V防止短路和過載，最低為19V，最高30V LI1LI6邏輯輸入可編程邏輯輸入；24V電源；狀態(tài)：正邏輯時，如果5V，則為0； CLI 邏輯輸入公共端 RJ45 通訊端口遠程操作面板，配置裝在工具的接口 低壓斷路器也陳空氣開關或自動開關，是一種既有手動開關又能自動進行欠電壓、失電壓、過載和短路保護功能的電氣。低壓斷路器具有多種保護功能、動作值可調(diào)、分段能力高、操作方便、安全等優(yōu)點。低壓斷路器由操作機構、觸頭、保護裝置、滅弧系統(tǒng)等組成，斷路器選取原則：一 斷路器的額定電壓和額定電流應大于或等于線路、設備正常工作的電壓和電流；二 斷路器的極限通斷能力應大于或等于電路最大短路電流；三 欠電壓脫扣器的額定電壓的等于線路的額定電壓四 過電流脫扣器的額定電流大于或等于線路的最大負債電流。根據(jù)以上要求，現(xiàn)選擇型號為DZ47LE32 C16 斷路器。 選擇開關 選擇開關是結合分接選擇器和切換開關兩者功能，且能承載、通斷電流的一種開關裝置，此種開關的選擇只需要根據(jù)開關的操作方式、電壓等級及其尺寸。在項目作為PLC 電源開關，變頻器手動與自動選擇開關，水泵手動、自動及停止狀態(tài)切換開關，其特點有：； 電壓等級；。 綜合以上考慮，選擇常用品牌上海二工產(chǎn)品，型號為LA3902X/31 和LA3903XS/31。 按鈕 按鈕與選擇開關功能類似，是一種手動能承載、通斷電流的開關裝置。在作為水泵手動啟動器件，它應滿足以下功能：； 電壓等級；。同理，選用二工型號為LA3911T/g31 產(chǎn)品。 開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制電力電子器件的開通和關斷的時間比率，使輸出電壓為直流。為向PLC 提供穩(wěn)定、可靠地直流電源，對于開關電源的選取要遵循一定的標準：，確定輸入、輸出電壓和電流；、安裝方式和安裝孔位；，各路輸出是否需要電氣隔離；；：自然冷卻或強制風冷；。 根據(jù)以上標準，現(xiàn)選擇型號為CLA7024 開關電源。水泵揚程,水泵轉(zhuǎn)速水泵流量與轉(zhuǎn)速正相關，同時其揚程與流量正相關，因此調(diào)節(jié)水泵揚程即調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。通過利用變頻器調(diào)節(jié)電量頻率實現(xiàn)控制水泵揚程，即可實現(xiàn)恒壓供水。離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、等多種形式。其主要的工作原理有：離心是物體慣性的表現(xiàn)。水泵機組的選項基本原則：一、是確保平穩(wěn)運行；二、是要常處于高效區(qū)運行，以取得更好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則需選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。選用杭州南方水泵MS60/，產(chǎn)品規(guī)格如下表34所示。 表34 離心泵的型號與參數(shù) 型 號 MS60/ 流 量 揚 程 功 率 電 壓 380V 壓力變送器壓力變送器是一種測壓器件,該器件將壓力經(jīng)傳感轉(zhuǎn)為標準輸出的電信號。變送器的輸出信號傳輸?shù)街锌厥疫M行壓力指示、記錄或控制。系統(tǒng)壓力作用在測量膜片表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，測量膜片上的高精度電路將這個微小的形變變換成為與壓力成正的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過專用芯片轉(zhuǎn)換為工業(yè)標準的420mA 電流或15V 電壓信號。因此，壓力變送器型號受系統(tǒng)供水水壓影響，系統(tǒng)水壓計算為水管出水口壓強P = 水管進水壓強P1 +水泵供水壓強P2上式中，水管進水壓強P1 ,水泵供水水壓即是水泵供水水壓 P2 = 揚程H /100 ，水泵供水壓強為 P1= P2= /100= ，P3= /100 =故系統(tǒng)水壓 ≤P ≤ + = ≤P ≤ + = ≤P ≤ 。通過查閱確定型號為701CrW1A2。產(chǎn)品規(guī)格如下表35表35 壓力變送器的型號與參數(shù)產(chǎn) 品 型 號 701CrW1A2 供 電 電 源 24VDC 壓 力 范 圍 輸 出 020mA 電線 電力線纜主要用于電子元器件間電能和信號的傳遞。截面從10 以下,載流量都是截面數(shù)的五倍，即 I = 5S （32）由上式（32）可知，為簡化系統(tǒng)，現(xiàn)以最大線路電流計算為 IZLN = ，選擇截面積為1mm2銅芯電線； IKLN =，； IN =I ZZLN+=IKLN =+++= 。 熱繼電器熱繼電器是利用電流流過熱元件時產(chǎn)生的熱量，使金屬片發(fā)生彎曲而推動執(zhí)行機構動作的一種保護電器。熱繼電器的型號主要根據(jù)電動機的額定電流來確定，其整定電流通常等于或稍大于電動機的額定電流，即 IN179。≥ IMN根據(jù)選取原則，現(xiàn)選型號為3UA50 400K產(chǎn)品，整定電流：≤IN ≤ ，額定工作電壓：UN = 690 V。 接觸器 接觸器是將電磁能轉(zhuǎn)換為機械能，并產(chǎn)生電磁吸力帶動觸頭動作。接觸器用來頻繁地接通和分段交直流主回路和大容量控制電路，能實現(xiàn)遠距離控制，并具有欠（零）電壓保護。接觸器選用原則為；；；。在本例中，接觸器主觸頭用于控制三臺水泵，且三臺水泵功率為 P1=,P2=,P3=根據(jù)以上要求，可選擇西門子型號為3TF40 220X 接觸器，該器件絕緣電壓UJYN =690V,額定工作電流IN = ，可控電機功率：當UN =380V 時，PN==。 中間繼電器 中間繼電器與接觸器結構、原理類似，只是接觸器的主觸頭可以通過大電流，而中間繼電器的觸頭只能通過小電流。因此，它用于在控制電路中傳遞中間信號，用于繼電保護與自動控制系統(tǒng)中，旨在增加控制觸點的數(shù)量及容量。因為過載能力比較校小，所以它一般是沒有主觸點的，用的全部都是輔助觸頭。中間繼電器的選用原則：根據(jù)控制線路電壓類型及電壓等級選用。 中間繼電器作為中間控制交流接觸器線圈開關是受PLC 控制，由表可知，PLC 輸出直流電壓U plco= 30V。因此，選用歐姆龍型號為MY2NJ24VDC 繼電器，該型號繼電器參數(shù)為額定直流電壓UN = 24V ，額定電流IN = ，最大工作電壓UT = 。系統(tǒng)所有元件型號如下表36所示：表36 系統(tǒng)元件型號表名稱數(shù)量型號制造商備注PLC1PAC240浙江中控變頻器1ATV312HV15N4施耐德選擇開關3LA3903XS/31上海2工選擇開關2LA3902X/31上海2工按鈕3LA3911T/g31上海2工指示燈4AD1622/g23上海2工斷路器1DZ47LE32 C16施耐德4級斷路器直流電源1CLA70241路輸出主、副水泵2M560/消防1M560/壓力變送器1701CrW1A2浙江中控電線若干熱繼電器23UA50 400K西門子接觸器33TF40220X西門子中間繼電器3MY2NJ歐姆龍續(xù)表36 系統(tǒng)元件型號表電控柜1浙江中控壓力表3浙制1830117上位機（電腦）1戴爾管道若干水箱3蓄水池1第4章 系統(tǒng)運行的軟件設計 PID控制器及參數(shù)整定 PID控制器簡介在供水系統(tǒng)的設計中，選用了含PID調(diào)節(jié)的變頻器來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證供水系統(tǒng)的壓力恒定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，常采用比例（P）、積分（I）、微分（D）控制方式，故稱之為PID控制。PID控制是連續(xù)控制系統(tǒng)中技術最成熟、應用最廣泛的控制方式。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。PID控制器是一種線性控制器，它是對給定值r（t）和實際輸出值y（t）之間的偏差e（t）： e（t）= y（t） r（t） （41）經(jīng)過比例（P）、積分（I）、微分（D）運算后通過線性組合構成控制量u（t），對被控對象進行控制，故稱為PID控制器。本控制系統(tǒng)的原理框圖如圖41所示，圖中u（t）為 PID調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。e（t）壓力變送器積分比例微分管網(wǎng)水泵r（t）u（t）y（t）給定壓力頻率轉(zhuǎn)速實際壓力+——+++