【文章內容簡介】 統的電氣控制系統的功能要求，以及其復雜程度，從經濟性、可靠性等方面來考慮，選擇西門子S7—200系列PLC作為工業(yè)污水處理系統的電氣控制系統的控制主機。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復雜，因此采用CPU226作為該控制系統的主機。CPU226在工業(yè)污水處理系統中使用的數字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了PLC主機自帶的I/O外，還需要擴展一定數量的I/O擴展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴展模塊。8點DC輸入8點輸出型。正好可以滿足控制系統的I/O需求。在該系統中，還需要采集模擬量并利用模擬量控制的功能要求，因此需要在擴展一個模擬量輸入輸出擴展模塊。西門子公司專門為S7—200系列PLC配置了模擬量輸入輸出模塊EM235，該模塊具有較高的分辨率和較強的輸出驅動能力，可滿足控制系統的功能要求。 PLC的I/O資源配置根據系統的功能要求，對PLC的I/O進行配置，具體分配如下表。表34 數字輸入量地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備急停手動刮泥機啟動手動方式手動污泥回流泵啟動自動方式手動分離式脫水機啟動自動啟動確認手動污泥泵啟動手動粗格柵機啟動手動轉碟曝氣機加速手動清污機啟動手動轉碟曝氣機減少手動潛水泵啟動粗格柵液位差計手動細格柵機啟動細格柵液位差計手動分離機啟動進水泵房液面高位傳感器手動轉碟曝氣機工頻啟動進水泵房液面低位傳感器手動轉碟曝氣機變頻啟動污泥回流泵液面高位傳感器手動潛水攪拌機啟動污泥回流泵液面低位傳感器表35數字輸出量地址分配輸出地址輸出設備輸出地址輸出設備粗格柵機接觸器潛水攪拌機接觸器清污機接觸器刮泥機接觸器潛水泵接觸器污泥回流泵接觸器細格柵機接觸器離心式脫水機接觸器分離機接觸器潛水泵報警轉碟曝氣機工頻接觸器污泥回流泵報警轉碟曝氣機變頻接觸器由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數據，因此擴展了一個模擬量輸入輸出模塊，具體I/O分配，如下表36所示。表36 模擬量輸入地址分配輸入地址輸入設備AIW0溶解氧儀 模擬量輸出部分在此控制系統中需要將采集回來的模擬量進行數據處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下表37所示。表37模擬量輸出地址分配輸出地址輸出設備AQW0經PID運算輸出根據控制系統的功能要求，設計出工業(yè)污水處理控制系統的硬件連線圖如圖38所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調試系統時使用，調試完成后基本處于閑置狀態(tài)。圖38工業(yè)污水處理系統PLC硬件接線圖要完成系統的控制功能除了需要PLC主機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設備。在控制系統中，所有設備是根據控制面板上的按鈕情況或者根據傳感器的反饋值進行動作的，因此需要PLC根據當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、潛水泵接觸器、分離機接觸器、轉碟曝氣機接觸器、潛水攪拌機接觸器、刮泥機接觸器等。為此該系統選用施耐德LC1D0901M5C交流接觸，其額定電壓220V,額定電流9A。其特點有：高標準：。長壽命：機械壽命高達2000萬次；電壽命高達200萬次。強適應性：“TH”防護處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用。寬電壓：線圈控制電壓在70%120%Uc之間波動，不影響產品正常工作。強通用性：具有50Hz60Hz通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產品本體上可以附加輔助觸頭，通電/斷電延時觸頭，機械閉鎖等模塊。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星三角起動器。變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內連續(xù)可調的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交直交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。(VVVF)原理當在實際利用變頻器調節(jié)電機轉速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。VVVF實施的基本方法包括：脈幅調制(PAM)和脈寬調制(PWM)。（1）脈幅調制(PAM)實現方法就是調節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。（2）脈寬調制(PWM)實現方法就是在每半個周期內，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻調速中比較常用。（1）異步電動機的等效變換圖39 異步電動機的等效變換異步電動機的電磁轉矩公式：（）其中：P為旋轉磁場的磁極對數，S為轉差率。（2）變頻調速的原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉磁場的磁極對數。產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速n1必須低于定子磁場的轉速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉差率表示，轉差率s=( n0 n1)/n0根據n0=60f/p可知，當頻率f連續(xù)可調時，電動機的同步轉速n0也連續(xù)可調，而異步電機的轉子轉速n1，總是比同步轉速略低一點，所以當n1連續(xù)可調時，n1也是連續(xù)可調。設變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：＝ （）＝ （）其中kf為頻率可調比，ku為電壓可調比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉矩公式可得變頻后的轉矩公式：（））]其中：sx為頻率為fx時的轉差率。在變頻器正常工作情況下，即kf＝km1時的機械特性如圖310所示。圖310kf＝km1時的機械特性由圖42可知隨著f的下降，臨界轉矩Tkx逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉矩補償功能。變頻器可以根據電流的大小自動地決定補償的程度。該系統選用的變頻器是西門子MM430變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（0~20 mA），2 個模擬輸入：AIN1：0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V； AIN2：0~10 V， 0~20 mA，6 個帶隔離的數字輸入，并可切換為NPN/PNP 接線。它是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅動系統，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風機。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結構與功能，便于工作人員進行操作，實現功能強。它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。其脈沖寬度調制的開關頻率是可選的，因而降低了電動機運行的噪聲。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保變頻器的功能是將頻率固定的(通常為50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內連續(xù)可調的三相交流電。變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據中間直流環(huán)節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。相控整流器將交流電壓整流為可控的直流電壓，經濾波由電容Cd輸出直流電壓Vd，逆變器將直流Ud變換成頻率可調的交流電源供給電機進行變頻調速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。電流型交直交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。當在實際利用變頻器調節(jié)電機轉速的過程中，當頻率f下降時，定子繞組的反電動勢E有所下降，定子電流增大，但是轉子側的負載并未增加，故轉子段電流不變，根據電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φm增大。φm增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓Ul/f=const，則磁通φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用VVVF表示。VVVF實施的基本方法包括：脈幅調制(PAM)和脈寬調制(PWM)。（1）脈幅調制(PAM)實現方法就是調節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。（2）脈寬調制(PWM)實現方法就是在每半個周期內，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為t1，每個脈沖間的間隔寬度為t2，則脈沖的占空比Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻調速中比較常用。（2）變頻調速的原理異步電動機的電磁轉矩是由定子主磁通和轉子電流相互作用產生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉速旋轉，旋轉磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉磁場的轉速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉磁場的磁極對數。產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉子的轉速n1必須低于定子磁場的轉速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉差率表示，轉差率s=( n0 n1)/n0根據n0=60f/p可知，當頻率f連續(xù)可調時，電動機的同步轉速n0也連續(xù)可調，而異步電機的轉子轉速n1，總是比同步轉速略低一點，所以當n1連續(xù)可調時，n1也是連續(xù)可調。設變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：＝ （）＝ （）其中kf為頻率可調比，ku為電壓可調比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉矩公式可得變頻后的轉矩公式：（））]其中：sx為頻率為fx時的轉差率。在變頻器正常工作情況下，即kf＝km1時的機械特性如圖310所示。由圖42可知隨著f的下降，臨界轉矩Tkx逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉矩補償功能。變頻器可以根據電流的大小自動地決定補償的程度。該系統選用的變頻器是西門子MM430變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸出（0~20 mA），2 個模擬輸入：AIN1：0~10 V， 0~20 mA 和–10 至+10 V； AIN2：0~10 V， 0~20 mA，6 個帶隔離的數字輸入，并可切換為NPN/PNP