【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的功能要求，以及其復(fù)雜程度，從經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的控制主機(jī)。由于工業(yè)污水處理電氣控制系統(tǒng)涉及較多的輸入輸出端口，其控制過程相對復(fù)雜，因此采用CPU226作為該控制系統(tǒng)的主機(jī)。CPU226在工業(yè)污水處理系統(tǒng)中使用的數(shù)字量輸入點和輸出點都比較多，因此除了PLC主機(jī)自帶的I/O外，還需要擴(kuò)展一定數(shù)量的I/O擴(kuò)展模塊。在此采用EM223輸入/輸出混合擴(kuò)展模塊。8點DC輸入8點輸出型。正好可以滿足控制系統(tǒng)的I/O需求。在該系統(tǒng)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(kuò)展一個模擬量輸入輸出擴(kuò)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(qiáng)的輸出驅(qū)動能力，可滿足控制系統(tǒng)的功能要求。 PLC的I/O資源配置根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O進(jìn)行配置，具體分配如下表。表34 數(shù)字輸入量地址分配輸入地址輸入設(shè)備輸入地址輸入設(shè)備急停手動刮泥機(jī)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(jī)啟動自動啟動確認(rèn)手動污泥泵啟動手動粗格柵機(jī)啟動手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)加速手動清污機(jī)啟動手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)減少手動潛水泵啟動粗格柵液位差計手動細(xì)格柵機(jī)啟動細(xì)格柵液位差計手動分離機(jī)啟動進(jìn)水泵房液面高位傳感器手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻啟動進(jìn)水泵房液面低位傳感器手動轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻啟動污泥回流泵液面高位傳感器手動潛水?dāng)嚢铏C(jī)啟動污泥回流泵液面低位傳感器表35數(shù)字輸出量地址分配輸出地址輸出設(shè)備輸出地址輸出設(shè)備粗格柵機(jī)接觸器潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器清污機(jī)接觸器刮泥機(jī)接觸器潛水泵接觸器污泥回流泵接觸器細(xì)格柵機(jī)接觸器離心式脫水機(jī)接觸器分離機(jī)接觸器潛水泵報警轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)工頻接觸器污泥回流泵報警轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)變頻接觸器由于需要采集一個溶氧儀所反饋的數(shù)據(jù)，因此擴(kuò)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(shè)備AIW0溶解氧儀 模擬量輸出部分在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進(jìn)行控制，進(jìn)行控制其他設(shè)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(shè)備AQW0經(jīng)PID運算輸出根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)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(diào)試系統(tǒng)時使用，調(diào)試完成后基本處于閑置狀態(tài)。圖38工業(yè)污水處理系統(tǒng)PLC硬件接線圖要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要PLC主機(jī)及其擴(kuò)展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器等儀器設(shè)備。在控制系統(tǒng)中，所有設(shè)備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進(jìn)行動作的，因此需要PLC根據(jù)當(dāng)前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設(shè)備的啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機(jī)接觸器、清污機(jī)接觸器、潛水泵接觸器、分離機(jī)接觸器、轉(zhuǎn)碟曝氣機(jī)接觸器、潛水?dāng)嚢铏C(jī)接觸器、刮泥機(jī)接觸器等。為此該系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)：。長壽命：機(jī)械壽命高達(dá)2000萬次；電壽命高達(dá)200萬次。強(qiáng)適應(yīng)性：“TH”防護(hù)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(chǎn)品正常工作。強(qiáng)通用性：具有50Hz60Hz通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產(chǎn)品本體上可以附加輔助觸頭，通電/斷電延時觸頭，機(jī)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(diào)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(nèi)連續(xù)可調(diào)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(jù)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(jīng)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(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)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(dāng)于電流源，故稱電流型。(VVVF)原理當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)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(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)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(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，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(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM)。（1）脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)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(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比較少用。（2）脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，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(diào)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(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。（1）異步電動機(jī)的等效變換圖39 異步電動機(jī)的等效變換異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式：（）其中：P為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率。（2）變頻調(diào)速的原理異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機(jī)的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率s=( n0 n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知，當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)，而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點，所以當(dāng)n1連續(xù)可調(diào)時，n1也是連續(xù)可調(diào)。設(shè)變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機(jī)的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：＝ （）＝ （）其中kf為頻率可調(diào)比，ku為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式：（））]其中：sx為頻率為fx時的轉(zhuǎn)差率。在變頻器正常工作情況下，即kf＝km1時的機(jī)械特性如圖310所示。圖310kf＝km1時的機(jī)械特性由圖42可知隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩Tkx逐漸減少，電動機(jī)的帶負(fù)載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)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(shè)置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取Ｔ撓到y(tǒng)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(shù)字輸入，并可切換為NPN/PNP 接線。它是一種風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載專用變頻器，能適用于各種變速驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)。該型變頻器，具有能源利用率高的特點，優(yōu)化了部分結(jié)構(gòu)與功能，便于工作人員進(jìn)行操作，實現(xiàn)功能強(qiáng)。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(diào)制的開關(guān)頻率是可選的，因而降低了電動機(jī)運行的噪聲。全面而完善的保護(hù)功能為變頻器和電動機(jī)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(diào)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(nèi)連續(xù)可調(diào)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(jù)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(jīng)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(diào)的交流電源供給電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是Cd低阻抗輸出相當(dāng)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(dāng)于電流源，故稱電流型。當(dāng)在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過程中，當(dāng)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(zhuǎn)子側(cè)的負(fù)載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變，根據(jù)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(dǎo)致鐵芯的飽和，進(jìn)而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結(jié)果，因此希望φm可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，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(diào)制(PAM)和脈寬調(diào)制(PWM)。（1）脈幅調(diào)制(PAM)實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。PAM需要同時調(diào)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(guān)系，故控制電路比較復(fù)雜，因此比較少用。（2）脈寬調(diào)制(PWM)實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，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(diào)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(xiàn)變頻也變壓的效果。PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與PAM相比電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。（2）變頻調(diào)速的原理異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機(jī)的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結(jié)果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0=60f/p，其中f是電流頻率，P是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0 (即所謂的“異步”)。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率s=( n0 n1)/n0根據(jù)n0=60f/p可知，當(dāng)頻率f連續(xù)可調(diào)時，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0也連續(xù)可調(diào)，而異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點，所以當(dāng)n1連續(xù)可調(diào)時，n1也是連續(xù)可調(diào)。設(shè)變頻后的頻率為fx，電壓為Ux，電動機(jī)的額定相電壓和頻率為UN和fN，則有：＝ （）＝ （）其中kf為頻率可調(diào)比，ku為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式：（））]其中：sx為頻率為fx時的轉(zhuǎn)差率。在變頻器正常工作情況下，即kf＝km1時的機(jī)械特性如圖310所示。由圖42可知隨著f的下降，臨界轉(zhuǎn)矩Tkx逐漸減少，電動機(jī)的帶負(fù)載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)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(shè)置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭?。該系統(tǒng)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(shù)字輸入，并可切換為NPN/PNP