【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 PLC PLC 功能 [5] PLC 系統(tǒng)一般由以下基本功能構(gòu)成： （ 1）多種控制功能； （ 2）數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能； （ 3）通信聯(lián)網(wǎng)功能； （ 4）輸入 /輸出接口調(diào)理功能； （ 5）人機(jī)界面 功能；（ 6）編程、調(diào)試功能。 1） 控制功能 邏輯控制： PLC 具有與、或、非、異或和觸發(fā)器等邏輯運(yùn)算功能，能代替繼電器進(jìn)行開關(guān)量控制。 定時(shí)控制：它為用戶提供若干電子定時(shí)器，用戶可自行設(shè)定接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)和定時(shí)脈沖等方式。 計(jì)數(shù)控制：用脈沖控制可實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)模式，可連接碼盤進(jìn)行位置檢測(cè)。 順序控制：在前道工序完成后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺(tái) PLC 可作為多部步進(jìn)控制器使用。 2） 數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與處理功能 數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括： a)基本算術(shù)：加、減、乘、除； b)擴(kuò)展 算術(shù)：平方根、三角函數(shù)和浮點(diǎn)運(yùn)算； c)比較：大于、小于和等于； d)數(shù)據(jù)處理 :選擇、組織、規(guī)格化、移動(dòng)和先入先出； e)模擬數(shù)據(jù)處理： PID、積分和濾波。 3)通信、聯(lián)網(wǎng)功能 現(xiàn)代 PLC 多數(shù)都采用通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有 RS232 或 RS485 接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程 I/O控制，多臺(tái) PLC 可彼此間聯(lián)網(wǎng)、通信，外部器件與一臺(tái)或多臺(tái)可編程控制器的信號(hào)處理單元之間，可以實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)交換，如程序轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)文檔轉(zhuǎn)移、監(jiān)視和診斷。 在系統(tǒng)構(gòu)成時(shí)，可由一臺(tái)計(jì)算機(jī)與多臺(tái) PLC 構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以完成 較大規(guī)模復(fù)雜控制。 4） 輸入 /輸出接口調(diào)理功能 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 具有 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換功能，通過 I/O 模塊完成對(duì)模擬量的控制和調(diào)節(jié)精度可根據(jù)用戶要求選擇。具有溫度測(cè)量接口，直接連接各種電阻或電偶。 5） 人機(jī)界面功能 提供操作者監(jiān)視機(jī)器 /過程工作必需的信息；允許操作者和 PC 系統(tǒng)與其應(yīng)用程序相互作用，以便做出決策和調(diào)整。 實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機(jī)的 CRT 顯示與鍵盤操作和用通信處理器、專用處理器、個(gè)人計(jì)算機(jī)以及工業(yè)計(jì)算機(jī)的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。 6） 編程、 調(diào)試功能 使用復(fù)雜程度不同的手持式、便攜式和桌面式編程器、工作站和操作屏，進(jìn)行編程、調(diào)試、監(jiān)視、試驗(yàn)和記錄，并通過打印機(jī)打印出程序文件。 PLC 的工作原理 [6] PLC是一種工業(yè)計(jì)算機(jī)，所以它的工作原理與計(jì)算機(jī)的工作原理基本上是一 致的，也就是說， PLC是在系統(tǒng)程序的管理下，通過運(yùn)行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù)，實(shí)現(xiàn)控制目的。但是 PC與 PLC又有所不同：前者一般是采用等待命令式的工作方式，如常見的鍵盤掃描方式或 I/O掃描方式。當(dāng)有鍵按下或 I/O口有信號(hào)輸入時(shí)，則中斷轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序。而 PLC采用的是循環(huán)掃描的方式，即順序的逐條地掃描用戶的程序的操作，根據(jù)程序運(yùn)行的結(jié)果，一個(gè)輸出的邏輯線圈應(yīng)安通或斷開，但該線圈的觸點(diǎn)并不立即動(dòng)作，而必須等用戶程序全部掃描結(jié)束后，才能輸出動(dòng)作信息全部送出執(zhí)行。也就是說， PLC系統(tǒng)的工作任務(wù)管理和應(yīng)用程序執(zhí)行都是循 環(huán)掃描的方式完成的。 PLC 的選型 [5] FX系列 PLC是繼 F F2系列之后 ， 三菱公司新推出的小型 （ 超小型 ） 機(jī) ， 主要有 FXON、 FX FX2N、 FX2C等幾種機(jī)型。 FX系列 PLC是整體結(jié)構(gòu) PLC，他的基本單元由電源、 CPU、 存儲(chǔ)器、 I/O器件組成。 PLC的電源和輸入的組合方式主要有 AC電源 /DC輸入型、 AC電源 /AC輸入型、DC電源 /DC輸入型 3種。輸出方式有繼電器輸出、晶體管輸出、晶閘管輸出三種。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 FX系列 PLC配有許多擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊，這些擴(kuò)展模塊、擴(kuò)展單元和基本單元連接配合使用，可方便地增加 PLC的輸入點(diǎn)數(shù)或輸出點(diǎn)數(shù)，以改變系統(tǒng)的 I/O點(diǎn)數(shù)的比例，滿足實(shí)際的需求。 FX系列 PLC還有許多特殊單元、特殊模塊。這些特殊單元、特殊模塊和基本單元連接配合使用后， PLC可實(shí)現(xiàn)模擬控制、定位控制、高速計(jì)數(shù)、數(shù)字通信 等功能。 FX系列 PLC的基本單元可獨(dú)立運(yùn)行，構(gòu)成控制系統(tǒng)；而擴(kuò)展單元、擴(kuò)展模塊、特殊模塊、特殊單元需要與基本單元連接配合使用，不能單獨(dú)構(gòu)成系統(tǒng)。 FX2N系列 PLC是超小型機(jī)， I/O點(diǎn)數(shù)最大擴(kuò)展可達(dá)到 256點(diǎn)。它有內(nèi)置的 8K步的RAM，使用存儲(chǔ)卡盒后，最大容量可擴(kuò)大到 16K步，編程指令達(dá) 327條。 PLC運(yùn)行時(shí)，對(duì)一條基本的指令的處理時(shí)間只要 。它不僅能完成邏輯控制、順序控制、模擬量控制、位置控制、高速計(jì)算控制等功能，還能做到數(shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)排列、三角函數(shù)運(yùn)算、平方根以及浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算 、 PID運(yùn)算等更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。所以 FX2N系列 PLC具有大容量、高速度、指令功能完善等特點(diǎn)。 PLC 的 I/O 端子確定 由上述系統(tǒng)的硬件分析可以得到 PLC 的硬件設(shè)計(jì)時(shí)候的功能設(shè)定，通過 PLC 的輸入輸出端口的設(shè)定，可以知道 PLC 和變頻 器連接的時(shí)候 PLC 具體到什么樣的功能。在于變頻器合作的時(shí)候直接負(fù)責(zé)最后繼電器的動(dòng)作已達(dá)到期望的效果。所以，PLC 的端口的設(shè)定在整個(gè)系統(tǒng)的工作中有重要的地位。三菱 PLC 的輸入輸出端口的設(shè)定如下表所示： 表 PLC I/O端口分 布 輸入 輸出 功能 端口 功能 端口 減泵信號(hào) X0 運(yùn)行指令 Y0 增泵信號(hào) X1 手動(dòng) /自動(dòng)設(shè)置 Y1 手動(dòng) /自動(dòng)信號(hào) X2 1泵工頻啟動(dòng) Y2 變頻運(yùn)轉(zhuǎn)啟動(dòng) X3 2泵工頻輸出 Y3 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)停止 X4 1泵變頻輸出 Y4 1泵變頻啟動(dòng) X5 2泵變 頻輸出 Y5 2泵變頻啟動(dòng) X6 3泵工頻運(yùn)行 Y6 1泵手動(dòng)啟停 X7 自動(dòng)控制運(yùn)行 Y7 2泵手動(dòng)啟停 X10 3泵手動(dòng)啟停 X11 故障指示 X12 變頻器 變頻器基本工作原理 [7] 變頻調(diào)速系統(tǒng)把電網(wǎng)提供的恒壓、恒頻交流電源轉(zhuǎn)換成頻率和電壓都可以調(diào)節(jié)的電源，用它來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以獲得更靈活、更高效的電動(dòng)機(jī)特性。所以，簡(jiǎn)單的把變頻調(diào)速系統(tǒng)成為變頻電源，它提供市電與 電動(dòng)機(jī)的接口。 從轉(zhuǎn)化方式上來說，可以分為交 交變頻和交 直 交變頻兩大類轉(zhuǎn)換方式。交 交變頻方式一般在特大功率的交流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用。交 直 交變頻方式是通用的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的頻率交換方式，是要重點(diǎn)討論的頻率變換方式。 交 直 交頻率變換方式和交 交頻率變換方式相比，在工作狀態(tài)上多了一個(gè)直流的存在狀態(tài)，因此它是一種間接頻率交換方式，故它有更大的靈活性。交 直 交頻率交換方式可以分為電壓源型和電流源型兩大類。 （ 1）電壓源型的特點(diǎn)是在直流中間回路中采用大容量的電容進(jìn)行濾波 ，直流回路電壓波形平直，輸出阻抗小，電壓不易變化，相當(dāng)于直流恒壓源。逆變部分的電力電子開關(guān)將直流電壓變成交流電壓，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。這種交換方式在中、小功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。 （ 2）電流源型的特點(diǎn)是在直流中間回路中采用較大的電感的電抗器進(jìn)行濾波，直流回路電流波形平直，輸出電抗很大，電流不易變化，相當(dāng)于一個(gè)直流恒壓源。逆變部分的電力電子開關(guān)將直流電流變成交流電流電，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可靠運(yùn)行。這種變換方式在大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中有很大優(yōu)勢(shì)。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 在早期的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，大多采用六拍階梯波的逆變方式，這種逆變方式 只能實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的控制，它能輸出可調(diào)頻率的電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，但是根據(jù)變頻調(diào)速的要求，還對(duì)電壓進(jìn)行控制，只能通過在整流部分使用可控元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)節(jié)。雖然實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速的基本要求，但是它控制復(fù)雜、控制特性差、系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)性能差。 隨著調(diào)速理論的發(fā)展和電力電子的元件特性的提高，現(xiàn)代的交流調(diào)速系統(tǒng)大多采用 PWM逆變方式。這種控制方式首先對(duì)整流部分做了簡(jiǎn)化，采用的是不可控元件，整流輸出的直流中間電路后，直接加在逆變器上，通過對(duì)逆變?cè)母咚偻?/斷控制輸出矩形脈沖波。這種決定開關(guān)元件動(dòng)作順序和時(shí)間分配 規(guī)律的控制方法叫做 PWM方法。該方法通過改變輸出矩形脈沖的寬度來控制輸出交流基波電壓幅值，通過改變輸出調(diào)制周期控制輸出頻率。 PWM控制方法在逆變器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了變頻和調(diào)壓，簡(jiǎn)化了控制方法，提高了控制特性，系統(tǒng)響應(yīng)速度更快，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性得到顯著的提高。 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)比較 ,變頻恒壓供水能 全天候 維持恒定 供水 壓力 , 并根據(jù)壓力信號(hào)自動(dòng)啟動(dòng)備用泵 ,利用 無級(jí) 調(diào)速來供水，進(jìn)行 調(diào)整壓力 ,從而使 供水質(zhì)量 變 好 ,而且 不會(huì)造成管網(wǎng)破裂 。以變頻調(diào)速為核心恒壓供水系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的高層水塔 和壓力罐等供水設(shè)備 , 這在建設(shè)的投資 方面節(jié)省了 大量的資金和占地面積 ,另一方面避免了電機(jī)水泵 的頻繁啟停 ,電機(jī)在變頻技術(shù)的控制下 起動(dòng)平滑 ,這樣電機(jī)的 起動(dòng)電流 就可限制在額定電流范圍 內(nèi) ,從而避免了 電機(jī) 起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊 。降低 了電機(jī)水泵的啟動(dòng) 時(shí)產(chǎn)生的 沖擊 而造成的電機(jī)的機(jī)械磨損 ,增 加了電機(jī)水泵的使用壽命 ；同時(shí)也避免了 在 傳統(tǒng) 方式下供水在電機(jī) 起動(dòng)和停機(jī) 時(shí)產(chǎn)生的的水錘效應(yīng)以及 水壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象 ,使得供水的水質(zhì)存在 污染 ,而 不符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)等問題。采用變頻恒壓供水 的方式 , 系統(tǒng)可以根據(jù)用戶 的 實(shí)際用 水 量 ,對(duì)供水壓力 自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè) ,進(jìn)而 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 , 達(dá)到高效節(jié)能的目的 。避免了 像高層建筑 水塔 在 供水無人值班時(shí) , 總是有水泵運(yùn)行的 現(xiàn)象 ,節(jié)省了財(cái)力、人力 。變頻恒壓供水可以 根據(jù)內(nèi)部設(shè)定值， 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)運(yùn)動(dòng)功能 , 延長(zhǎng)了電機(jī)水泵的使用壽命。 而 且變頻恒壓供水系統(tǒng) ,具有欠壓 保徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 護(hù) 、過流 保護(hù) 、 缺相 保護(hù)、 過熱 保護(hù) 、 過載 保護(hù) 、 短路保護(hù)等功能 ,保護(hù)功能齊全 ,運(yùn)行 安全 可靠 [1]。 變頻器的選型 變頻器選型時(shí)要確定以下幾點(diǎn) [7]: （ 1） 采用變頻 技術(shù) 的目的 ： 應(yīng)用于 恒壓控制或恒流控制等。 （ 2） 選用 變頻器的負(fù)載類型：如葉片泵或容積泵等， 應(yīng)當(dāng) 特別注意負(fù)載的性能曲線，性 能 曲線決定了應(yīng)用時(shí)的方式方法。 （ 3） 變頻器與負(fù)載的匹配問題 ： 1） 電壓匹配 ： 變頻器的額定電壓與負(fù)載的額定電壓相符。 2） 電流匹配 ： 普通的離心泵，變頻器的額定電流與電機(jī)的額定電流相符。對(duì)于特殊的負(fù)載如深水泵等則需要參考電機(jī)性能參數(shù)，以最大電流確定變頻器電流和過載能力。 3） 轉(zhuǎn)矩匹配 ： 這種情況在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或有減速裝置時(shí)有可能發(fā)生。 （ 4） 在使用變頻器驅(qū)動(dòng)高速電機(jī)時(shí)，由于高速電機(jī)的電抗小，高次諧波增加導(dǎo)致輸出電流值增大。因此用于高速電機(jī)的變頻器的選型，其容量要稍大于普通電機(jī)的選型。 （ 5） 變頻器如果要長(zhǎng)電纜運(yùn)行 時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)地禍合電容的影響，避免變頻器出力不足，所以在這樣情況一下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 （ 6） 對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如高溫，高海拔，此時(shí)會(huì)引起變頻器的降容，變頻器容量要放大一擋 根據(jù)工藝要求，配用 ABB系列變頻器，具體型號(hào)為 具備內(nèi)置 PID功能 的ACS51001060A4變頻器。 徐州師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC 和變頻器的住宅小區(qū)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 31 ACS510變頻器 外觀 圖 ACS510系列變頻器是 ABB公司采用直接轉(zhuǎn) 矩控制技術(shù)，結(jié)合多種先進(jìn) 生產(chǎn)制造工藝 而 推出的高性能變頻器。它具有很寬的功率 調(diào)節(jié) 范圍，優(yōu)良的速度控制和轉(zhuǎn)矩控制特性，完整 的保護(hù)功能以及靈活的編程能力，較高的可靠性和較小的體積。該變頻器 共 有 6種控制方式 ： 工廠、手動(dòng) /自動(dòng)、 PID控制、恒 轉(zhuǎn)矩、順序控制、風(fēng)機(jī)水泵控制（ PFC）。一般住宅小區(qū)的 恒壓供水系統(tǒng)采用的 多是 是手動(dòng) /自動(dòng)控制 宏和PID控制宏 ， 以及 PFC控制宏 等。 當(dāng)操作臺(tái)選擇開關(guān)處于 “自動(dòng) ”時(shí)，變頻器與 PLC相結(jié)合對(duì)整個(gè)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行 自動(dòng)控制。 變頻器基本參數(shù)表如下表所示 ： 表 ACS510變頻器 基本 參數(shù)表 主電源連接 可編程控制連接 電壓 3相， 380~480V 2路模擬輸入 AI1,AI2 頻率 48~63HZ