【文章內容簡介】 全運行，防止因水泵過載、變頻器異常、電網出現(xiàn)大波動、水源中斷、泵站內溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報警量進行監(jiān)測，經PLC收集判斷，進行各種顯示和保護動作控制，維護系統(tǒng)安全穩(wěn)定。 供水系統(tǒng)的控制流程系統(tǒng)流程圖如圖23所示。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中壓力傳感器將主水管網壓力信號轉換成電信號再經PID運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉速和泵水量以使管網的壓力穩(wěn)定，由此構成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為PLC進行邏輯切換、起停泵的依據。 圖23 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)流程圖合上空氣開關，供水系統(tǒng)投入運行。將手動、自動開關打到自動上，系統(tǒng)進入全自動運行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動變頻器。根據壓力設定值(根據管網壓力要求設定)與壓力實際值(來自于壓力傳感器)的偏差進行PID調節(jié)，并輸出頻率給定信號給變頻器。變頻器根據頻率給定信號及預先設定好的加速時間控制水泵的轉速以保證水壓保持在壓力設定值的上、下限范圍之內，實現(xiàn)恒壓控制。同時變頻器在運行頻率到達上限，會將頻率到達信號送給PLC，PLC則根據管網壓力的上、下限信號和變頻器的運行頻率是否到達上限的信號，由程序判斷是否要起動第2臺泵(或第3臺泵)。當變頻器運行頻率達到頻率上限值，并保持一段時間，則PLC會將當前變頻運行泵切換為工頻運行，并迅速起動下1臺泵變頻運行。此時PID會繼續(xù)通過由遠傳壓力表送來的檢測信號進行分析、計算、判斷，進一步控制變頻器的運行頻率，使管壓保持在壓力設定值的上、下限偏差范圍之內。增泵工作過程：假定增泵順序為l、3泵。開始時，1泵電機在PLC控制下先投入調速運行，其運行速度由變頻器調節(jié)。當供水壓力小于壓力預置值時變頻器輸出頻率升高，水泵轉速上升，反之下降。當變頻器的輸出頻率達到上限，并穩(wěn)定運行后，如果供水壓力仍沒達到預置值，則需進入增泵過程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機與變頻器連接的電磁開關斷開，1泵電機切換到工頻運行，同時變頻器與2泵電機連接， 控制2泵投入調速運行。如果還沒到達設定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運行，控制3泵投入變頻運行。減泵工作過程：假定減泵順序依次為1泵。當供水壓力大于預置值時，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當變頻器的輸出頻率達到下限，并穩(wěn)定運行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機，如果供水壓力仍大于預置值，則將下一臺水泵由工頻運行切換到變頻器調速運行，并繼續(xù)減泵工作過程。如果在晚間用水不多時，當將最后一臺正在運行的水泵置于低速運行。 變頻恒壓供水系統(tǒng)中加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當一臺調速水泵己運行在上限頻率，此時管網的實際壓力仍低于設定壓力，此時需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達到恒壓的目的。當調速水泵和恒速水泵都在運行且調速水泵己運行在下限頻率，此時管網的實際壓力仍高于設定壓力，此時需要減少恒速水泉來減少供水流量，達到恒壓的目的。那么何時進行切換，才能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時使機組不過于頻繁的切換。盡管通用變頻器的頻率都可以在0400Hz范圍內進行調節(jié)，但當它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調節(jié)的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進行。由于電網的限制以及變頻器和電機工作頻率的限制，50Hz成為頻率調節(jié)的上限頻率。當變頻器的輸出頻率己經到達50Hz時，即使實際供水壓力仍然低于設定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過水泵機組切換，增加運行機組數量來實現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負值，最低只能是0Hz。其實，在實際應用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到0Hz。因為當水泵機組運行，電機帶動水泵向管網供水時，由于管網中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進入管網，因此，當電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率在實際應用中就是電機運行的下限頻率。這個頻率遠大于0Hz,具體數值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關，一般在20Hz左右。由于在變頻運行狀態(tài)下，水泵機組中電機的運行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個下限頻率也就成為變頻器頻率調節(jié)的下限頻率。在實際應用中，應當在確實需要機組進行切換的時候才進行機組的切換。所謂延時判別，是指系統(tǒng)僅滿足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進行機組切換，切換所要求的頻率和壓力的判別條件必須成立并且能夠維持一段時間（比如12分鐘），如果在這一段延時的時間內切換條件仍然成立，則進行實際的機組切換操作；如果切換條件不能夠維持延時時間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時的，如果進行機組切換將可能引起一系列多余的切換操作。3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設計 PLC選型及接線 PLC選型PLC即可編程序控制器，是一個以微處理器為核心的數字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應用而設計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數和算術運算等操作指令，并通過數字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產過程。PLC是微機技術與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學；調試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應用于生產實踐[1]。PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的技術指標和質量至關重要的。PLC選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠，維護使用方便及最佳的性能價格比。目前市場上的PLC種類繁多，近年來，從美國、日本、德國引進的PLC產品及國內廠家組裝或自行開發(fā)的產品已有幾十個系列，上百種型號。其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各有自己的特點，適用場合也各有側重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標起著重要的作用。一般選擇機型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇可從以下幾個方面來考慮。世界各國生產廠家生產的PLC雖然外觀各異，但作為工業(yè)控制計算機，其硬件結構都大體相同。主要由中央處理器（CPU）、存儲器（RAM、ROM）、輸入輸出單元（I/O）接口、電源及外圍設備等幾大部分構成。PLC的硬件結構框圖如圖31所示：圖31 PLC的硬件結構框圖在選擇PLC的型號時一般從以下幾個方面來考慮：(1)功能要適當。PLC的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要。控制系統(tǒng)需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的PLC，當然要兼顧維修、備件的通用性。(2)I/O點數是基礎。準確地統(tǒng)計出被控設備對輸入輸出點數的總需要量是PLC選型的基礎。把各輸入設備和被控設備詳細列出，然后在實際統(tǒng)計出I/O點數的基礎上加15%～20%的備用量，以便今后調整和擴充。(3)充分考慮輸入輸出信號的性質。除決定好I/O點數外，還要注意輸入輸出信號的性質、參數等。(4)估算系統(tǒng)對PLC響應時間的要求。對于大多數應用場合來說，PLC的響應時間不是主要的問題。響應時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。PLC的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久時間小于掃描周期的輸入信號。為此，需要選取掃描速度高的PLC。(5)根據程序存儲器容量選型。PLC的程序存儲器容量通常以字或步為單位。PLC的程序步是由一個字構成的，即每個程序步占一個存儲器單元。用戶程序所需存儲器容量可以預先估算。對于開關量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的字數等于I/O信號總數乘以8。關于PLC的選型問題，當然還應考慮到PLC的聯(lián)網通信功能、價格因素。系統(tǒng)可靠性也是考慮的重要因素。(6)編程器與外圍設備的選擇。小型PLC控制系統(tǒng)通常都選用價格便宜的簡易編程器。如果系統(tǒng)大，用PLC多，選一臺功能強、編程方便的圖形編程器也不錯，如果有現(xiàn)成的個人計算機，也可選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。FX2N系列PLC 是由三菱公司近年來推出的高性能小型可編程控制器，采用整體式和模塊式相結合的疊裝式結構，具有較高的性能價格比，應用廣泛。三菱的FX2N系列PLC適用于各行各業(yè)、各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。FX2N系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現(xiàn)復雜控制功能。由于它緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格、豐富的功能模塊以及強大的指令系統(tǒng)，使得FX2N可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求，F(xiàn)X2N可以用模塊上的電位器來改變它對應的特殊寄存器中的數值，可以實現(xiàn)更該程序運行中的一些參數，如定時器/計數器的設定值、過程量的控制參數等。實現(xiàn)時鐘可用于對信息加注時間標記，記錄及其運行時間或對過程進行時間控制。選用 PLC 時必須從其技術指標、硬件配置等方面綜合考慮。FX2N系列PLC 的技術指標包括一般技術指標、電源技術指標、輸入技術指標、輸出技術指標和性能技術指標等；FX2N系列PLC 的硬件配置包括基本單元、擴展單元、擴展模塊、模擬量I/O 模塊、各種特殊功能模塊及外圍設備等。三菱FX2N的主要特點：較高的可靠性；豐富的指令集；豐富的內置集成功能；實時特性強和強大的通信能力 。PLC容量的選擇：PLC容量主要是指是PLC的I/O點數，I/O點數也應留有適當裕量。由于目前I/O點數較多的PLC價格也較高，若備用的I/O點是數量太多，將使成本增加。根據被控對象的輸入信號和輸出信號的總點數，并考慮到今后的調整和擴充，通常I/O點數按實際需要的考慮留10%～15%點數備用量。在本系統(tǒng)中，水泵MM2，M3可變頻運行，也可工頻運行，需PLC的6個輸出點，變頻器的運行與關斷由PLC的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制，報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數量一共9個