【文章內(nèi)容簡介】 C的 A/D轉(zhuǎn)換模塊才能讀入并與設(shè)定值進(jìn)行比較 ，將比較后的偏差值進(jìn)行 PID運(yùn)算，再將運(yùn)算后的數(shù)字信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換 模塊 轉(zhuǎn)換成模擬信號作為變頻器的輸入信號，控制變頻器的輸出頻率，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的供水流量，最終使用 戶供水管道上的壓力恒定，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制流程 如下 : (l) 系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖 動變頻 泵 M1 工作， 根據(jù) 壓力變送器測得的用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏 差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制 Ml 的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間 Ml 工作基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 14 在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。 (2) 當(dāng)用水量增加水壓減小時， 壓力變送器反饋的水壓信號減小，偏差變大， PLC 的輸出信號變大，變頻器的輸出頻率變大，所 以水泵的轉(zhuǎn)速增大，供水量增大，最終 水泵的轉(zhuǎn)速 達(dá) 到另一個新的穩(wěn)定值。 反之，當(dāng)用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)，減小水泵的轉(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。 (3) 當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件 (在下 節(jié) 有詳細(xì)闡述 )時，在變頻 循環(huán) 式的控制方式下，系統(tǒng)將 在 PLC 的控制下自動投入 水 泵 M2(變速 運(yùn)行 )， 同時 變頻泵 M1 做工頻運(yùn)行， 系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率 50Hz 時， 壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。 (4) 當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的 實(shí)際水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將工頻 泵 M2 關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。 水泵切換條件分析 在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng) 變頻 泵己運(yùn)行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的 ； 當(dāng) 變頻 泵和工頻泵都在運(yùn)行且 變頻 泵己運(yùn)行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻 泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時進(jìn)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(jī)組不過于頻繁的切換呢 ? 由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制， 50HZ 成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0HZ?；?PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 15 其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降到 0HZ。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運(yùn)行的電機(jī)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(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個值時，水泵就己 經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。這個頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。 所以選擇 50HZ 和 20HZ 作為水泵機(jī)組切換的上下限頻率。 當(dāng) 輸出頻率達(dá)到上限頻率時，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動。 若出現(xiàn) sfPP? 時就 進(jìn)行機(jī)組切換，很可能由于新增加了一臺機(jī)組運(yùn)行，供水壓力一下 就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增 加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉 。 如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機(jī)組將一直這樣投入 — 切出 — 再投入 — 再切出地循環(huán)下去，這增加了機(jī) 組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中， 實(shí)際供水壓力也會在很大的壓力范圍內(nèi)震蕩。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命 。另外， 實(shí)際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實(shí)際壓力的測量值有尖峰，這兩種情 況都可能使機(jī)組切換的判別條件在一個比較短的 時間內(nèi)滿足。 所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時成立。 實(shí)際的機(jī)組切換 判別條件如下 [11]： 加泵條件： UPff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 () 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的理論分析及控制方案確定 16 減泵條件： LOWff? 2dfsPPP??? 且延時判別成立 () 式中： UPf ： 上限頻率 LOWf ： 下限頻率 sP ： 設(shè)定壓力 fP ： 反饋壓力 17 3 系統(tǒng) 的 硬件設(shè)計 系統(tǒng)主要設(shè)備的選型 根據(jù) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng) 的原理， 系統(tǒng)的電氣控制總框圖如圖 所示 ： A / D 模 塊 可 編 程 控 制 器 ( P L C ) 通 訊 模 塊壓 力變 送 器故 障 、 狀 態(tài)等 量 輸 入報 警 、 控 制等 量 輸 出人 機(jī) 界 面上 位 機(jī) 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機(jī) 組軟 啟 動 、 自耦 變 壓 器 圖 系統(tǒng)的電氣控制總框圖 由以上系統(tǒng)電氣總框圖可以看出 ,該系統(tǒng)的 主要硬件設(shè)備應(yīng)包括以下幾部分 ： (1) PLC 及其擴(kuò)展模塊 、 (2) 變頻器 、 (3) 水泵機(jī)組 、 (4) 壓力變送器 、 (5) 液位變送器 。 主要 設(shè)備選型如表 所示： 表 本系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL 系列水泵 2 臺（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270 數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 18 PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號的采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。因此我們在選擇 PLC 時，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接 口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等多方面因素。 由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 S7200 型 PLC 的結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，具有較高的性價比，廣泛適用于一些小型控制系統(tǒng)。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計算機(jī)， 對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制。 PLC 和上位機(jī)的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點(diǎn)對點(diǎn)接口 (PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實(shí)現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC 機(jī)的通信接口RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護(hù)，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo(hù) [12]。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量 ，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24 點(diǎn) ，輸入形式為 +24V 直流輸入。 由于實(shí)際中需要模擬量輸入點(diǎn) 1 個，模擬量輸出點(diǎn) 1 個，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展模塊選擇的是 EM235， 該模塊有 4 個模擬輸入 (AIW)， 1 個模擬輸出 (AQW)信號通道。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長 (16bit)的數(shù)字信號 ； 輸出信號接出端口時能夠自動完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長(16bit)的數(shù)字信號能夠 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 EM235 模塊可以針對不同的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過 DIP 開關(guān)進(jìn)行設(shè)置。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 19 系統(tǒng) 主 電路分析及其設(shè)計 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ： 兩 臺電機(jī)分別為 M M2，它們分別帶動水泵 2。接觸器 KM KM3 分別控制M M2 的工頻運(yùn)行；接觸器 KM KM4 分別控制 M M2 的變頻運(yùn)行； FR FR2 分別為 兩 臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器； QS QSQS3 分別為變頻器和兩 臺水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。 本系統(tǒng) 采用 兩 泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式 ，即 2 臺水 泵中 1 臺水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行， 另一臺 水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時間超過 3h，則要切換下一臺水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺水泵工作時間過長。因此 在同一時間內(nèi)只能有一臺水泵工作在變頻下，但不同時間段內(nèi)兩 臺水泵都可輪流做變頻泵。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 20 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 三相電源經(jīng)低壓 熔 斷器、 隔離開關(guān) 接至變頻器的 R、 S、 T 端，變頻器的輸出端 U、 V、 W 通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時，連接至變頻器的 隔離開關(guān)及變頻器輸出端的接觸器斷開，接通工頻運(yùn)行的接觸器 和隔離開關(guān)。 主電路中的低壓 熔 斷器除接通電源外，同時實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺電動機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。變頻和工頻兩個回路不允許同時接通。而且變頻器的輸出端絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動機(jī)接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須 先將工頻接觸器斷開，基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 21 才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1 和 KM KM3 和 KM4 絕對不能同時動作，相互之間必須設(shè)計可靠的互鎖。 為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號 送至上位機(jī)來顯示。同時可以通過通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接電壓表顯示線電壓。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個電壓表顯示不同相之間的線電壓。初始運(yùn)行時，必須觀察電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，使之符合要求。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)啟動、運(yùn)行和停止的操作不能直接斷開主電路 (如直接使 熔 斷 器或隔離開關(guān) 斷開 )，而必須通過變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動和軟停。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。當(dāng)采用手動控制時，必須采用自 耦 變壓器降壓啟動或軟啟動的方式以降低電流，本系統(tǒng)采用軟啟動器。 系統(tǒng)控制 電路分析及 其 設(shè)計 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的 主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的運(yùn)行性能。本系統(tǒng)采用 西門子公司S7200 系列 PLC，它體積小，執(zhí)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性能優(yōu)越。 PLC 主要 是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動控制，要完成以下功能：自動控制兩 臺水泵的投入運(yùn)行； 能在兩 臺水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換；兩 臺水泵在啟動時要有軟啟動功能；對水泵的操作要有手動 /自動控制功能，手動只在應(yīng)急或檢修時臨時使用；系統(tǒng)要有完善的報警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 如圖 為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中 SA 為手動 /自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA打在 1 的位置為手動控制狀態(tài)；打在 2 的狀態(tài)為自動控制狀態(tài)。手動運(yùn)行時，可用按鈕 SB1~SB4 控制 兩 臺水泵的啟 /停；自動運(yùn)行時，系統(tǒng)在 PLC程序控制下運(yùn)行。 基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的 硬件設(shè)計 22 圖中的 HL10 為自動運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。對變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個干觸發(fā)點(diǎn)信號，本系統(tǒng)通過一個中間繼電器 KA 的觸點(diǎn)對變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。圖中的 ~ 及 ~ 為 PLC 的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8 等數(shù)字為接線編號，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖 注： PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義 在下一節(jié) I/O 端口分配中將詳細(xì)介紹。 本系統(tǒng)在手動 /自動控制下的運(yùn)行過程如下： (1) 手動控制： 手動控制只 在檢查故障原因時才會用到 ，便于 電機(jī) 故障的檢測與維修 。單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1