【文章內(nèi)容簡介】 重過載。 可編程控制器 PLC簡介可編程控制器是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC[4]。可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展與繼電器控制系統(tǒng)有很大的關系。繼電器是一種用弱電信號控制強電信號的電磁開關，但在復雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應于工藝要求發(fā)生變化的場合。由此，產(chǎn)生了可編程控制器，它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)，用面向控制過程、面向用戶的簡單編程語句，適應工業(yè)環(huán)境，是簡單易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工業(yè)控制器，是當代工業(yè)自動化的主要支柱之一。可編程控制器具有豐富的輸入/輸出接口，并具有較強的驅(qū)動能力，但它的產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應用，其靈活標準的配置能夠適應工業(yè)上的各種控制。在實際應用中，其硬件可根據(jù)實際需要選用配置，其軟件則需要根據(jù)要求進行設計。 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設計思想，最初主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術(shù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動化控制愈來愈高的需求，PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的PLC已不只是開關量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍,具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)將其 [4]鐘肇新，范建東，馮太合．：華南理工大學出版社. 正式命名為可編程控制器(Programmable Controller)，簡稱PC，但是為了和個人計算機(Persona1 Computer)的簡稱PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為PLC。事實上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無法向操作者顯示動態(tài)的設備狀態(tài)參數(shù)，無法進行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當系統(tǒng)工藝改變時，無法方便、快速地改變相關參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復雜一些的控制系統(tǒng)中，PLC通常與工業(yè)控制計算機配合使用，實現(xiàn)完整的控制功能。 PLC的特點現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關量的邏輯控制，還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡等功能。在發(fā)達的工業(yè)化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門，其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設備和農(nóng)業(yè)等領域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點：(1）編程方法簡單易學。(2）功能強，性能價格比高。(3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強。(4）無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強。(5）系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試工作量少。(6）維修工作量小，維修方便 ，體積小，能耗低。 PLC輸入輸出端子分配表 輸入分配表輸入端子輸入設備輸入端子輸入設備輸入端子輸入設備X0SB1X4SB5X10SB9X1SB2X5SB6X11SB10X2SB3X6SB7X15FUX3SB4X7SB8X16OLX0接SB1啟動按鈕，X1接SB2停止按鈕，X2接SB3電動機M1變頻啟動，X3接SB4電動機M1工頻啟動，X4接SB5電動機M2變頻啟動，X5接SB6電動機M2工頻啟動，X6接SB7電動機M3變頻啟動，X7接SB8電動機M3工頻啟動，X10接SB9自動啟動，X11接SB10手動啟動，頻率檢測的上/下限信號分別通過OL和FU輸出至PLC的X15與X16輸入端作為PLC增泵減泵控制信號 輸出分配表輸出端子輸出設備輸出端子輸出設備輸出端子輸出設備Y0KM0Y5KM5Y13HL4Y1KM1Y6KM6Y14HL5Y2KM2Y10HL1Y15HL6Y3KM3Y11HL2Y16HL7Y4KM4Y12HL3Y20STFKM0接通電動機M1變頻啟動，KM1接通電動機M1工頻啟動，KM2接通電動機M2變頻啟動，KM3接通電動機M2工頻啟動，KM4接通電動機M3變頻啟動，KM5接通電動機M3工頻啟動，KM6接通變頻器，HL1指示電動機M1變頻啟動，HL2指示電動機M1變工頻啟動，HL3指示電動機M2變頻啟動，HL4指示電動機M2工頻啟動，HL5指示電動機M3變頻啟動，HL6指示電動機M3工頻啟動。 PLC的接線圖 PLC的接線圖 變頻器 變頻器的構(gòu)成通常由變頻器主電路（IGBT、BJT、或GTO作逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制[5]。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等。給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。(1)整流器最近大量使用的是二極管的交流器，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M晶體管交流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)[6]。(2）平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。[5]韓安榮. ，1999: 1535[6]王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)第四版. 機械工業(yè)出版社，：4366裝置容量小時，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。(3）逆變器同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。(4）制動回路異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。 典型的電壓型逆變器一例給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路B部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。控制電路主要包括：(1）運算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。(2）電壓/電流檢測電路與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。(3）驅(qū)動電路為驅(qū)動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。(4）速度檢測電路以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。保護電路檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括：(1）瞬時過電壓保護由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。(2）過載保護逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。(3）再生過電壓保護采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。(4）瞬時停電保護對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉(zhuǎn)。(5）接地過電流保護逆變器負載側(cè)接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設漏電斷路器。(6）冷卻風機異常有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。(1）過載保護過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。(2）超頻（超速）保護逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉(zhuǎn)。(1）防止失速過電流急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，也進行同樣的控制。 (2）防止失速再生過電壓減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。 變頻器的特點變頻器具有過壓、欠壓、過流、過載、短路、失速等自動保護功能。能實現(xiàn)電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪音，延長設備使用壽命。變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個特點:(1)節(jié)能：變頻調(diào)速恒壓供水設備使整個供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達35%—60% ，這一特點已被廣大用戶所認識并帶來效益(2)占地面積小，投人少，效率高：設備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護方便維護費用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝(3)配置靈活，功能齊全，自動化程度高。(4)由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，大大降低水質(zhì)污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲必須定期清洗改用變頻調(diào)速恒壓供水設備后只需一個低位水箱原來也有將水質(zhì)污染降到最低限度。(5)通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力。 變頻器的選型與接線根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用FRA540系列變頻器管腳STF接PLC的Y16管腳，控制電機的正轉(zhuǎn)。X15接變頻器的FU接口，X16接變頻器的OL接口。頻率檢測的上/下限信號分別通過FU和OL輸出至PLC的X15與X16輸入端作為PLC增泵減泵控制信號。 變頻器接線圖 PID調(diào)節(jié)器僅用P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動作的PI控制。用PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用P動作控制。對于PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨D動作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時，P動作的作用減小。控制對象含有積分元件的負載場合，僅P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。利用I動作消除偏差作用和用D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合P動作就構(gòu)成了PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng)(即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合PID調(diào)節(jié))效果比較好。 PID控制框圖通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量(反饋量)，將其與目標值(溫度、流量、壓力等設定值)進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也就是使反饋量與日標值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標值的設定。(2)軟件型：使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器(或單片機)上做PID控制器。此次使用硬件型控制形式。根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)置于變頻器中。 PID控制接線圖 壓力傳感器接線圖壓力傳感器使用CYYZ1001型絕對壓力傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應原理實現(xiàn)壓力測量的力－電轉(zhuǎn)換[7]。傳感器由敏感芯體和信號調(diào)理電路組成，當壓力作用于傳感器時，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號調(diào)理電路將輸出的電壓信號作放大處理，同時進行溫度補償、非線性補償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標的要求。該傳感器的量程為0～，工作溫度為5℃～60 ℃，供電電源為28177。3V（DC）。 壓力傳感器的接線圖 元器件選擇水泵電機：MMM3選用小型號為40250，,。 Inp=(～)Inm式中：Inp為熔斷器