【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 包括以下幾個(gè)方面： 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 分析給水系統(tǒng)特性和原理，分析和論證變頻調(diào)速方式在消防給水系統(tǒng)中的節(jié)能原理和效果。通過(guò)對(duì)比異步電動(dòng)機(jī)的 調(diào)速方法后 ,給水系統(tǒng)中采用的變頻調(diào)速節(jié)能效果顯著。最后列舉消防給水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。 本文就最簡(jiǎn)的給水泵組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的敘述，包括硬件電路設(shè)計(jì)，控制軟件的總體方案及程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及相關(guān)的控制程序?qū)嶋H。闡述設(shè)備的調(diào)試及變頻器參數(shù)設(shè)定。最后還提出了保障系統(tǒng)可靠性的一些措施。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 2 可編程序控制器（ PLC）的概 述 PLC的定義 1987 年 2月，國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）對(duì)可編程序控制器的定義是：可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類(lèi)可編程序的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)操作等面向消防的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式輸入 /輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。可編程序控制器及其有關(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充功能的原則設(shè)計(jì)。 PLC的特點(diǎn) （ 1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好 PLC 在電子線(xiàn)路、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)上都吸取了生產(chǎn)廠家長(zhǎng)期積累的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，主要模塊均采用大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路。 I/O系統(tǒng)設(shè)計(jì)有完善的通道保護(hù)與信號(hào)調(diào)理電路；在結(jié)構(gòu)上對(duì) 耐熱、防潮、防塵、抗震等都有周到的考慮。 （ 2）控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) PLC 及外圍模塊品種多，可由各種組件靈活組合成各種大小和不同要求的控制系統(tǒng)。 （ 3）編程方便，易于使用 PLC 是面向 消防 的設(shè)備， PLC 的設(shè)計(jì)者充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的技能和習(xí)慣， PLC 程序的編制，采用梯形圖或面向工業(yè)控制的簡(jiǎn)單指令形式。梯形圖與繼電器原理圖相類(lèi)似，這種編程語(yǔ)言現(xiàn)象直觀，容易掌握，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)知識(shí)和語(yǔ)言，只要具有一定的電工和工藝的知識(shí)的人員都可在短時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。 （ 4）功能完善 PLC 的輸出 /輸入功 能完善，性能可靠，能夠適應(yīng)與任何形式和性質(zhì)的開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入 /輸出。在 PLC 內(nèi)部具有許多控制功能，諸基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 如時(shí)序、計(jì)算機(jī)、主控繼電器以及移位寄存器、中間寄存器等。由于采用了微處理器，它能夠很方便地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、鎖存、比較、跳轉(zhuǎn)、和強(qiáng)制I/O 等諸多功能，不僅具有邏輯功能、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)制轉(zhuǎn)換、以及順序控制功能，而且還具備模擬運(yùn)算、顯示、監(jiān)控、打印、及報(bào)表生成等功能。 （ 5）設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試的周期短 用繼電接觸器控制完成一項(xiàng)控制工程，必須首先按工藝要求畫(huà)出電氣原理圖，然后畫(huà)出繼電器屏的布置和接線(xiàn)圖等，進(jìn)行安裝調(diào)試， 以后修改起來(lái)十分不便。而采用 PLC 控制，由于其硬軟件齊全，為模塊化積木式結(jié)構(gòu)，且已商品化，故僅需按性能、容量等選用組裝，而大量具體的程序編制工作也可在 PLC 到貨前進(jìn)行，因而縮短了設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)和施工可同時(shí)進(jìn)行。 （ 6）體積小，維護(hù)操作方便 PLC 體積小，質(zhì)量輕，便于安裝。 PLC 的輸入 /輸出系統(tǒng)能夠直觀的反映現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)的變化狀態(tài)，還能通過(guò)各種方式直觀的反映控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。 （ 7）易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化 PLC 可連成功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 （ 8）可實(shí)現(xiàn)三電一體化 PLC 將電控（邏輯控制）、電儀（過(guò)程控 制）和電結(jié)（運(yùn)動(dòng)控制）這三電集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規(guī)模和要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)各種工業(yè)控制的需要。 PLC的一般組成和基本工作原理 PLC的一般組成 目前 PLC 種類(lèi)繁多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但都是以微處理器為核心用做工業(yè)控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理都大致相同，硬件結(jié)構(gòu)與微機(jī)相似。 一般地 PLC 主要 由 中央處理單元 （ CPU） 、存儲(chǔ)器 （ RAM 和 ROM） 、輸入輸出接口 （ I/O） 電路、電源 及其他可選組件構(gòu)成。前三大部分是 PLC基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 完成各種控制任務(wù)所必需的，一般稱(chēng)為 PLC的基本組成部分，其它可選組件包括編程器、外存儲(chǔ)器、 I/O 模塊及通信接口等。 PLC的基本工作原理 當(dāng) PLC 投入運(yùn)行后，其工作過(guò)程一般分為三個(gè)階段，即輸入采樣、消防程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。完成上述三個(gè)階段稱(chēng)作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。如下圖 所示 圖 PLC的應(yīng)用設(shè)計(jì)步驟 PLC 控制系統(tǒng)是以程序形式來(lái)體現(xiàn)其控制功能的，大量的工作時(shí)間將用在軟件設(shè)計(jì)，即程序設(shè)計(jì)上。 PLC 程序設(shè)計(jì)可遵循以下六步進(jìn)行： （ 1）確定被控系統(tǒng)必須完成的動(dòng)作及完成這些動(dòng)作的順序。 （ 2）分配輸入輸出設(shè)備 即確定哪些外圍設(shè)備是送信號(hào)到 PLC，哪些外圍設(shè)備是接受來(lái)自 PLC 信號(hào)的。并將 PLC 的輸入輸出口與之進(jìn)行分配。 （ 3）設(shè)計(jì) PLC 程序畫(huà)出梯形圖 。 梯形圖體現(xiàn)了按照正確的順序所要求的全部功能 及其相互關(guān)系。 （ 4）實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì) PLC 的梯形圖的直接編程。 （ 5）對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試（模擬和現(xiàn)場(chǎng)）。 （ 6）保存已完成的程序。 顯然，在建立一個(gè) PLC 控制系統(tǒng)時(shí)，必須首先把系統(tǒng)需要的輸入，輸出數(shù)量確定下來(lái)，然后按需要確定各種控制動(dòng)作的順序和各個(gè)控制裝置彼此之間的相互關(guān)系。確定控制上的相互關(guān)系之后，即可進(jìn)行編程的第二步 分配輸入輸出設(shè)備。在分配了 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，內(nèi)部輔助基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 繼電器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器之后，就可以設(shè)計(jì) PLC 程序畫(huà)出梯形圖。在畫(huà)梯形圖時(shí)要注意每個(gè)從左邊開(kāi)始的邏輯行必 須終止于一個(gè)繼電器線(xiàn)圈或定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，與實(shí)際的電路圖不一樣。梯形圖畫(huà)好后便用編程軟件直接把梯形圖輸入計(jì)算機(jī)并下裝到 PLC 進(jìn)行模擬調(diào)試，修改直至符合控制要求，這便是程序設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3 消防給水系統(tǒng)的特性及原理 給水系統(tǒng)基本特性 給水系統(tǒng)的參數(shù)表明了給水的性能。但各參數(shù)之間不是靜止孤立的，相互間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。這種聯(lián)系和變化規(guī)律可用給水系統(tǒng)的特性曲線(xiàn)直觀地反映，主要有揚(yáng)程特性曲線(xiàn)和管阻特性曲線(xiàn)。見(jiàn)圖 。水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程 特性是以給水系統(tǒng)管路中的閥門(mén)開(kāi)度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線(xiàn) f（ Q）。由圖 可以看出，流量 Q越大，揚(yáng)程 H越小。由于在閥門(mén)開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于消防的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程 H 與用水流量 Qv 之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，揚(yáng)程 H與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f(Qv)。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可 知，在同一閥門(mén)開(kāi)度下，揚(yáng)程 H越大，流量 Q 也越大。由于閥門(mén)開(kāi)度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，給水系統(tǒng)向消防的給水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與給水流量 Qg之間的關(guān)系 H=f(Qg)。揚(yáng)程特性曲線(xiàn)和管阻特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，稱(chēng)為給水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖 中 A 點(diǎn)。在這一點(diǎn)，消防的用水流量 Qv 和給水系統(tǒng)的給水流量 Qg處于平衡狀態(tài)，給水系統(tǒng)既滿(mǎn)足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。 圖 給水系統(tǒng)的基本特性 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 給水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 實(shí)現(xiàn)對(duì)給水系統(tǒng)的控制就是為了滿(mǎn)足消防對(duì)流量的需求。所以，流量是給水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測(cè)量和控制?？紤]到動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)程與給水能力 (由流量 Qg 表示 )和用水需求 (由用水流量 Qg 表示 )之間的平衡情況有關(guān)。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P上升 。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P下降 。 若：給水能力 Qg? 用水需求 Qv，則壓力 P不變。 由此可見(jiàn)，流 體壓力 P的變化反映了給水能力 Qg 與用水需求 Qv之間的矛盾。從而，選擇壓力控制來(lái)調(diào)節(jié)管道流量大小。這說(shuō)明，通過(guò)恒壓給水就能保證給水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿(mǎn)足了消防所需的用水流量。將來(lái)消防需求發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)給水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 常用的調(diào)節(jié)方式有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 閥門(mén)控制法 轉(zhuǎn)速保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量。 實(shí)質(zhì)是水泵本身的給水能力不變，而通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量大小，以適應(yīng)消防對(duì)流量的需求。這 時(shí)的管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。 轉(zhuǎn)速控制法 閥門(mén)開(kāi)度保持不變，通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量。 實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的給水能力來(lái)適應(yīng)消防對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法及其原理 通過(guò)轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓給水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) [9][10]。 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為： 基于 PLC 的消防給水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 %10011 ??? n nns （ ） 異步電機(jī)的同步速度為： pfn 601 ? （ ） 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為： ps