【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖31 PLC外部端口分布圖 變頻器 變頻器（Variablefrequency Drive，VFD）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元微處理單元等組成。變頻器靠?jī)?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(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)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(fēng)機(jī)、水泵的應(yīng)用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機(jī)械在設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，都留有一定的富余量。當(dāng)電機(jī)不能在滿負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，除達(dá)到動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(fèi)。風(fēng)機(jī)、泵類等設(shè)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(fēng)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(dāng)使用變頻調(diào)速時(shí)，如果流量要求減小，通過降低泵或風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。電動(dòng)機(jī)使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動(dòng)電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設(shè)備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個(gè)過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學(xué)術(shù)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(duì)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(dòng)機(jī)調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對(duì)于主要用在儀器儀表的檢測(cè)設(shè)備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對(duì)波形進(jìn)行整理，可以輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，叫變頻電源。由于變頻器設(shè)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(shè)計(jì)變頻器的選型本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器應(yīng)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(shè)計(jì)采用的PLC是浙江中控PAC240型號(hào)，為了方便PLC和變頻器之間的通信，且充分利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，我們選擇施耐德ATV312HU15N4變頻器。對(duì)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(jiǎn)易型和多功能下載器，方便參數(shù)配置；（2）全部涂層，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，變頻器頂部提供IP41防護(hù)等級(jí)；（3）可拆卸端子模塊化設(shè)計(jì)，節(jié)省成本，安裝方便；（4）同級(jí)別最高耐壓，標(biāo)準(zhǔn)電壓波動(dòng)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(dá)+60 ℃；（7）超強(qiáng)輸出特性，內(nèi)置制動(dòng)單元，過力矩至170%～200%；（8）并排安裝，節(jié)省空間。在本設(shè)計(jì)中變頻器用于維持供水系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)可靠，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無人職守的全自動(dòng)循環(huán)倒泵、變頻運(yùn)行，保證各臺(tái)水泵運(yùn)行效率的最優(yōu)和設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng)平穩(wěn)，消除啟動(dòng)大電流沖擊，降低泵的平均轉(zhuǎn)速，從而可延長(zhǎng)泵的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。 施耐德ATV312HU15N4變頻器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)電阻（+極）的輸出PB到制動(dòng)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(jī)的輸出接地端子表 33 變頻器產(chǎn)品型號(hào)及參數(shù) 名 稱 功 能 性 能 R1AC R1共用C/O 觸點(diǎn)帶有電阻性負(fù)載時(shí)的最大開關(guān)容量： 250VAC和30V時(shí)為5A；帶有電感性負(fù)載時(shí)的最大開關(guān)容量： R2AR2C 繼電器R2 N/O 觸點(diǎn) 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(jì)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(huì)影響設(shè)定點(diǎn)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(fù)載阻抗470Ω或模擬輸出XYmA，X和Y可設(shè)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(shí)，如果5V，則為0； CLI 邏輯輸入公共端 RJ45 通訊端口遠(yuǎn)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(guān)或自動(dòng)開關(guān)，是一種既有手動(dòng)開關(guān)又能自動(dòng)進(jìn)行欠電壓、失電壓、過載和短路保護(hù)功能的電氣。低壓斷路器具有多種保護(hù)功能、動(dòng)作值可調(diào)、分段能力高、操作方便、安全等優(yōu)點(diǎn)。低壓斷路器由操作機(jī)構(gòu)、觸頭、保護(hù)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(yīng)大于或等于線路、設(shè)備正常工作的電壓和電流；二 斷路器的極限通斷能力應(yīng)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(fù)債電流。根據(jù)以上要求，現(xiàn)選擇型號(hào)為DZ47LE32 C16 斷路器。 選擇開關(guān) 選擇開關(guān)是結(jié)合分接選擇器和切換開關(guān)兩者功能，且能承載、通斷電流的一種開關(guān)裝置，此種開關(guān)的選擇只需要根據(jù)開關(guān)的操作方式、電壓等級(jí)及其尺寸。在項(xiàng)目作為PLC 電源開關(guān)，變頻器手動(dòng)與自動(dòng)選擇開關(guān)，水泵手動(dòng)、自動(dòng)及停止?fàn)顟B(tài)切換開關(guān)，其特點(diǎn)有：； 電壓等級(jí)；。 綜合以上考慮，選擇常用品牌上海二工產(chǎn)品，型號(hào)為L(zhǎng)A3902X/31 和LA3903XS/31。 按鈕 按鈕與選擇開關(guān)功能類似，是一種手動(dòng)能承載、通斷電流的開關(guān)裝置。在作為水泵手動(dòng)啟動(dòng)器件，它應(yīng)滿足以下功能：； 電壓等級(jí)；。同理，選用二工型號(hào)為L(zhǎng)A3911T/g31 產(chǎn)品。 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制電力電子器件的開通和關(guān)斷的時(shí)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(duì)于開關(guān)電源的選取要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)：，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(qiáng)制風(fēng)冷；。 根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)選擇型號(hào)為CLA7024 開關(guān)電源。水泵揚(yáng)程,水泵轉(zhuǎn)速水泵流量與轉(zhuǎn)速正相關(guān)，同時(shí)其揚(yáng)程與流量正相關(guān)，因此調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)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(shí)現(xiàn)控制水泵揚(yáng)程，即可實(shí)現(xiàn)恒壓供水。離心泵有立式、臥式、單級(jí)、多級(jí)、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(jī)組的選項(xiàng)基本原則：一、是確保平穩(wěn)運(yùn)行；二、是要常處于高效區(qū)運(yùn)行，以取得更好的節(jié)能效果。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)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(hào)與參數(shù) 型 號(hào) MS60/ 流 量 揚(yáng) 程 功 率 電 壓 380V 壓力變送器壓力變送器是一種測(cè)壓器件,該器件將壓力經(jīng)傳感轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)輸出的電信號(hào)。變送器的輸出信號(hào)傳輸?shù)街锌厥疫M(jìn)行壓力指示、記錄或控制。系統(tǒng)壓力作用在測(cè)量膜片表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，測(cè)量膜片上的高精度電路將這個(gè)微小的形變變換成為與壓力成正的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過專用芯片轉(zhuǎn)換為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的420mA 電流或15V 電壓信號(hào)。因此，壓力變送器型號(hào)受系統(tǒng)供水水壓影響，系統(tǒng)水壓計(jì)算為水管出水口壓強(qiáng)P = 水管進(jìn)水壓強(qiáng)P1 +水泵供水壓強(qiáng)P2上式中，水管進(jìn)水壓強(qiáng)P1 ,水泵供水水壓即是水泵供水水壓 P2 = 揚(yáng)程H /100 ，水泵供水壓強(qiáng)為 P1= P2= /100= ，P3= /100 =故系統(tǒng)水壓 ≤P ≤ + = ≤P ≤ + = ≤P ≤ 。通過查閱確定型號(hào)為701CrW1A2。產(chǎn)品規(guī)格如下表35表35 壓力變送器的型號(hào)與參數(shù)產(chǎn) 品 型 號(hào) 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(hào)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(jiǎn)化系統(tǒng)，現(xiàn)以最大線路電流計(jì)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(shí)產(chǎn)生的熱量，使金屬片發(fā)生彎曲而推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的一種保護(hù)電器。熱繼電器的型號(hào)主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流來確定，其整定電流通常等于或稍大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，即 IN179。≥ IMN根據(jù)選取原則，現(xiàn)選型號(hào)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(jī)械能，并產(chǎn)生電磁吸力帶動(dòng)觸頭動(dòng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，并具有欠（零）電壓保護(hù)。接觸器選用原則為；；；。在本例中，接觸器主觸頭用于控制三臺(tái)水泵，且三臺(tái)水泵功率為 P1=,P2=,P3=根據(jù)以上要求，可選擇西門子型號(hào)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(jī)功率：當(dāng)UN =380V 時(shí)，PN==。 中間繼電器 中間繼電器與接觸器結(jié)構(gòu)、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(hào)，用于繼電保護(hù)與自動(dòng)控制系統(tǒng)中，旨在增加控制觸點(diǎn)的數(shù)量及容量。因?yàn)檫^載能力比較校小，所以它一般是沒有主觸點(diǎn)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(jí)選用。 中間繼電器作為中間控制交流接觸器線圈開關(guān)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(hào)為MY2NJ24VDC 繼電器，該型號(hào)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(hào)如下表36所示：表36 系統(tǒng)元件型號(hào)表名稱數(shù)量型號(hào)制造商備注PLC1PAC240浙江中控變頻器1ATV312HV15N4施耐德選擇開關(guān)3LA3903XS/31上海2工選擇開關(guān)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(jí)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(hào)表電控柜1浙江中控壓力表3浙制1830117上位機(jī)（電腦）1戴爾管道若干水箱3蓄水池1第4章 系統(tǒng)運(yùn)行的軟件設(shè)計(jì) PID控制器及參數(shù)整定 PID控制器簡(jiǎn)介在供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用了含PID調(diào)節(jié)的變頻器來實(shí)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(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方式。具有理論成熟，算法簡(jiǎn)單，控制效果好，易于為人們熟悉和掌握等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器是一種線性控制器，它是對(duì)給定值r（t）和實(shí)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(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量u（t），對(duì)被控對(duì)象進(jìn)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(shí)際壓力+——+++