【文章內(nèi)容簡介】 。 方案（ 1） 采用模擬量的 PLC 控制變頻調(diào)速方案 采用電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置與 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，進(jìn)行優(yōu)化控制 ,完成供水壓力的恒定控制，在管網(wǎng)流量變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力，系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋的總管壓力實(shí)際值進(jìn)行比較，其差值輸入 變頻器 運(yùn)算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行變量泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到給畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上。 通過安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器，把水壓轉(zhuǎn)換成 4～ 20mA 的模擬信號(hào)，通過變頻器內(nèi)置的 PID 控制器，來改變電動(dòng)水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)用戶用水量增大，管網(wǎng)壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，變頻調(diào)速的輸出頻率將增大， 水泵轉(zhuǎn)速提高，供水量加大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速不在變化，使管網(wǎng)壓力恒定在設(shè)定壓力上；反之亦然。 工作流程是利用設(shè)置在管網(wǎng)上的壓力傳感器將管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)因用水量的變化引起的水壓變化，及時(shí)將信號(hào)（ 420mA 或 010V）反饋 PID 調(diào)節(jié)器， PID 調(diào)節(jié)器對(duì)比設(shè)定控制壓力進(jìn)行運(yùn)算后給出相應(yīng)的變頻指令，改變水泵的運(yùn)行或轉(zhuǎn)速，使得管網(wǎng)的水壓與控制壓力一致。 該方案有如下的缺點(diǎn)： ，該系統(tǒng)采用的變頻調(diào)速初期投資成本高，維護(hù)費(fèi)用大。 ，不利于施工和后期維護(hù)。 ，容易 受到干擾，鋼廠高爐是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾的地方，采用模擬量傳輸信號(hào)的時(shí)候和容易受到干擾，是系統(tǒng)的可靠性大大降低。 ，當(dāng)受到強(qiáng)干擾的的是緊急應(yīng)對(duì)能力弱。 方案 （ 2） 采用 PLC 控制邏輯開關(guān)量的方案 眾所周知，研制開發(fā) PLC 的最初動(dòng)因是為了取代繼電器，構(gòu)成新型的控制開關(guān)量的裝置，因此，從一開始，邏輯控制就是 PLC 的強(qiáng)項(xiàng)。 PLC是以控制開關(guān)量起家的，采用循環(huán)掃描方式，為了不丟失輸入信號(hào)，要求循環(huán)掃描周期短，這就使得在 PLC 中配置的處理器性能好，速度快。這些高性能的微處理器本身有很大的潛能，早期 PLC 只利用速度快這一條，其他潛能并沒有得到充分得利用。后來發(fā)現(xiàn)處理好不同性質(zhì)的實(shí)時(shí)多任務(wù)的調(diào)度，在 PLC 中加入針對(duì)慢連續(xù)量的過程控制并不困難。 該方案采用開關(guān)量進(jìn)行邏輯控制，通過 PLC 對(duì)四個(gè)泵的啟停進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)高爐冷卻水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓控制。通過對(duì)檢測(cè)壓力對(duì)泵的開啟進(jìn)行控制，達(dá)到穩(wěn)定冷卻爐輸入部分壓力的穩(wěn)定。通過檢測(cè)啟動(dòng) 20s 后每個(gè)泵有畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 無流量信號(hào)來判斷各個(gè)泵是否啟動(dòng)正常，通過檢測(cè)電流是否過大來判斷真?zhèn)€系統(tǒng)是否正常，如果有泵啟動(dòng)異常則通過互被技術(shù)啟動(dòng)備用泵。系統(tǒng)的框圖如 圖 21 所示。 圖 21 邏輯開關(guān)量控制泵站供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 采用該方案有如下的優(yōu)點(diǎn)： ，抗干擾能力強(qiáng)，采用開關(guān)量控制對(duì)電磁干擾的能力較強(qiáng)，不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。 ，初期投入少，系統(tǒng)的性價(jià)比高。 ，維護(hù)簡單，發(fā)生故障后能迅速恢復(fù)。 ，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，節(jié)約了人力物力。 本系統(tǒng)的任務(wù)是保證高爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)供水安全可靠，該系統(tǒng)對(duì)控制精度要求不高，但是對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求很高，且在高爐附近電磁干擾強(qiáng)，要求系統(tǒng)必須有較好的抗干擾能力。綜合考慮方案 I 和方案 II 并結(jié)合高爐的實(shí)際情況決定采用方 案 （ 2） 。 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 模型 本系統(tǒng)控制對(duì)象為冷卻爐的壓力，系統(tǒng)有較大的時(shí)間常數(shù)，由于高爐的特性系統(tǒng)要求控制精度不太高，針對(duì)這些特性對(duì)系統(tǒng)可以進(jìn)行如下結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的被控對(duì)象為：冷卻爐內(nèi)的水壓，系統(tǒng)的控制器為： PLC， 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 系統(tǒng)的檢測(cè)單元為：壓力檢測(cè)部分、電流檢測(cè)部分、流量檢測(cè)部分和電流檢測(cè)部分，系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為：四個(gè)泵，系統(tǒng)的控制方式為 PLC 開關(guān)量控制， 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖 21。 圖 21 本系統(tǒng)模型圖 系統(tǒng)組成及框圖 該系統(tǒng)為開 關(guān)量的邏輯控制，當(dāng)系統(tǒng)采用自動(dòng)控制策略時(shí)，首先設(shè)定壓力給定，然后啟動(dòng)三個(gè)水泵，經(jīng)過一定的時(shí)間延遲后對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)比較然后確定啟動(dòng)泵的個(gè)數(shù)，通過改變泵的個(gè)數(shù)來改變冷卻爐壁的壓力。本系統(tǒng)的被控對(duì)象為冷卻爐，冷卻爐為整個(gè)高爐的冷卻系統(tǒng)，為高爐煉鋼做保證，被控對(duì)象為冷卻爐內(nèi)的水壓。傳感器和變送器包括壓力、溫度、流量和液位傳感器、電流互感器以及部分單片機(jī)電路，傳感器和變送器在系統(tǒng)中起到檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供控制系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。系統(tǒng)的控制器為 PLC， PLC 是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，由 PLC 來控制各個(gè)泵的啟停， 保證給水壓的提供。系統(tǒng)的執(zhí)行器繼電器，由 PLC 發(fā)出的信號(hào)經(jīng)繼電器后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)泵和閥。系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為泵和閥，通過泵和閥來改變壓力。系統(tǒng)的連鎖保護(hù)機(jī)構(gòu)包括報(bào)警指示燈和揚(yáng)聲器，在 PLC 內(nèi)部 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 13 程序上采用連鎖保護(hù)。系統(tǒng)由以上部分組成閉環(huán)，由于系統(tǒng)本身特性，系統(tǒng)為有差系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示。當(dāng)系統(tǒng)上電啟動(dòng)后首先有壓力給定，然后系統(tǒng)啟動(dòng)三個(gè)泵，五分鐘延遲后系統(tǒng)檢測(cè)壓力回饋信號(hào)，決定采用什么控制策略，再等五分鐘后系統(tǒng)根據(jù)壓力回饋決定采用該策略是否能滿足壓力要求。在每個(gè)泵啟動(dòng)的時(shí)候，過 10s 后檢測(cè)該泵的流量信號(hào) ，如果有流量流過，則說明泵起正常，若果沒有流量信號(hào)，則關(guān)閉該泵啟動(dòng)備用泵。 圖 22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng) 主要 工作流程 當(dāng)系統(tǒng) 啟動(dòng)后，首先有 PLC 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。 當(dāng)主程序開始時(shí)系統(tǒng)做初始準(zhǔn)備，系統(tǒng)首先檢測(cè)是采用集中控制還是本地控制，也就是采用手動(dòng)控制還是自動(dòng)控制，根據(jù)系統(tǒng)的控制方式來確定采用的控制方法。如果采用手動(dòng)的控制方式，則系統(tǒng)等待輸入各個(gè)泵的啟動(dòng)信號(hào)，由于系統(tǒng)的 特性，最多需要啟動(dòng)三個(gè)泵就能滿足水壓的要求，所以手動(dòng)操作時(shí)最多只需要啟動(dòng)三個(gè)泵，留一個(gè)作為備用。當(dāng)采用自動(dòng)控 制策略的時(shí)候，系統(tǒng)首先啟動(dòng)三個(gè)泵，五分鐘后檢測(cè)冷卻爐壁處的水壓，如果此時(shí)壓力超過壓力上限，則關(guān)閉一個(gè)運(yùn)行泵，等系統(tǒng)運(yùn)行十分鐘后再進(jìn)行壓力檢測(cè)，如果壓力沒有低于壓力下限，則系統(tǒng)采用兩備兩用的控制策略，否則采用三用一備的控制策略。如果五分鐘檢測(cè)的時(shí)候壓力沒有達(dá)到上限，則采用三用一備壓 力 設(shè) 定P L C繼 電 器 泵閥流 量 檢 測(cè)壓 力 檢 測(cè)冷 卻 爐 壁 壓 力 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 的控制策略。 采用三用一備的控制策略時(shí) ，系統(tǒng)采用 三用一備 的工作流程倒泵，各泵之間會(huì)為備份。采用兩備兩用的控制策略時(shí)系統(tǒng)采用 兩備兩用的工作流程倒泵，各泵之間會(huì)為備份。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 15 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件 總體 組成 系統(tǒng)硬 件組成 根據(jù)系統(tǒng)的總體規(guī)劃化和要求，系統(tǒng)的硬件部分主要包括兩部分： 機(jī)械流體 部分以及電氣部分 ， 電氣部分 又 包括控制檢測(cè) 控制部分 和供電 部分 。對(duì)這兩部分的設(shè)計(jì)要相互結(jié)合， 也要和 系統(tǒng)的 軟 件設(shè)計(jì)時(shí)要相互結(jié)合，這樣系統(tǒng)才設(shè)計(jì)出最佳的配置。 系統(tǒng)的機(jī)械流體部分包括泵，閥，和管道；系統(tǒng)的電氣部分包括 PLC、單片機(jī)、傳感器、變送檢測(cè)電路、保護(hù)電路和電源電路。 系統(tǒng)的硬件之間之間相互配合工作，電氣部分為系統(tǒng)提供控制信息 和電能，流體機(jī)械部分將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并將將機(jī)械能傳遞給水，以壓力的形式表現(xiàn)出來，機(jī)械流體部分又受到電氣信息部分 的控制，使系統(tǒng)資源配置在最佳狀態(tài) ，對(duì)于系統(tǒng)的硬件在設(shè)計(jì)上要求可靠性高，性價(jià)比合理。系統(tǒng)的硬件之間的關(guān)系可以用圖 31 表示。 圖 31 系統(tǒng)硬件組合圖 系統(tǒng)機(jī)械流體部分 組成 系統(tǒng)機(jī)械流體部分主要包括泵、管道和閥門等設(shè)備， 系統(tǒng)的管道直徑和閥的選擇有機(jī)械設(shè)計(jì)人員完成，本設(shè)計(jì) 只對(duì)泵 的流量和揚(yáng)程進(jìn)行簡單的計(jì)算，便于將來做電流檢測(cè)報(bào)警時(shí)電流的計(jì)算和其他設(shè)備的選型。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 16 系統(tǒng)電氣部分 組成 系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)主要包括控制部分 、 檢測(cè)部分 和通訊部分三 個(gè)部分，控制部分主要是 PLC 的 I/O 口的 分配，檢測(cè)部分主要是單片機(jī)的外圍電路的選擇，通訊部分主要是完成信號(hào)轉(zhuǎn)換 。 根據(jù)滄州縱橫 1高爐項(xiàng)目 整個(gè)工程要求 要求， PLC 應(yīng)采用三菱公司的產(chǎn)品，便于系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。 泵的選型和設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要求 系統(tǒng)要求冷卻爐壁的壓力不低于 ，高爐的高度為 14m， 循環(huán)水量為 60~100m3/h， 系統(tǒng)采用四個(gè)水泵供水，至少有一個(gè)泵處于備份狀態(tài)。經(jīng)查相關(guān)資料可知：冷卻爐阻力約為 30kPa； 目前設(shè)計(jì)中冷水管路的比摩組宜控制在 150~200Pa/m 范圍內(nèi)，管道的總長度在 30m 左右，則管路阻力約為 6kPa； 閥的阻力約為 4kPa；水泵揚(yáng)程應(yīng) 取 10%的安全系數(shù)。由以上可知系統(tǒng)應(yīng)能提供的壓力為： +30kPa+6kPa+4kPa=340kPa。 390kPa壓力可以換算為 33m 水柱高度，加上高爐高度，則系統(tǒng)的揚(yáng)程最少應(yīng)為47m，考慮到系統(tǒng)的安全性對(duì)揚(yáng)程留 10%的冗余，則每個(gè)泵最終的揚(yáng)程應(yīng)為 52m。根據(jù)系統(tǒng)要求，主管道的流量有三個(gè)泵共同承擔(dān)，則每個(gè)泵承擔(dān)的流量不超過 37m3/h， 從安全性上考慮，流量應(yīng)留有 20%的冗余，則每個(gè)泵的流量應(yīng)為 40m3/h。 擬選用的元件 根據(jù)系統(tǒng)的要求每個(gè)泵的流量為 40m3/h，揚(yáng)程為 52m，系統(tǒng)為高爐供水，根據(jù)這些特張系統(tǒng)應(yīng)該 DL型多級(jí)泵。這種泵 占地省，在流量一定時(shí)，有多種揚(yáng)程可供選擇 ， 適用于冷熱清潔水或類似于水的液體的輸送，循環(huán)，增壓。 主要 應(yīng)用 于 市政供水及增壓 、 工廠供水 、 高層及住宅群的供水 、空調(diào) 采暖系統(tǒng)的冷凍 .冷卻循環(huán)供水 、消防噴淋系統(tǒng)的供水 尤其適合高層建筑分區(qū)消防供水 、 鍋爐給水及冷凝系統(tǒng) 。根據(jù)揚(yáng)程和流量要求，泵擬選用 上海凱泉泵業(yè)有限公司 的 3 型。該泵的主要參數(shù)如下： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 17 流量 ： ~ 立方米 /時(shí) 揚(yáng)程 ： ~ 米 功率 ： 15 千 瓦 備注 ： 轉(zhuǎn)速 1480，效率 70～ 71%，必需氣蝕余量 ～ 米，尺寸 (毫米 )H=1421， H2=302， H3=107+90 (N1)， H4=136， H5=45， A=405， B=480，C=280，螺栓 4－ Φ 28，重量 496Kg，進(jìn)出口直徑 DN80。對(duì)于閥和管道的選擇，結(jié)合已選擇的泵和機(jī)械設(shè)計(jì)人員共同完成。 PLC 控制部分的的設(shè)計(jì) PLC 的 I/O 需求和分配 系統(tǒng)的 PLC 采用三菱公司的 FX2N 系列的產(chǎn)品， 系統(tǒng)的輸入對(duì)象主要有按鈕和 傳感器，系統(tǒng)的輸出對(duì)象主要是泵的啟動(dòng)和關(guān)閉信號(hào)和 報(bào)警顯示。 為了減少按鈕的個(gè)數(shù) 。 減少了系統(tǒng)的硬件成本。 為了表明 當(dāng)前泵站各泵的工作情況，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)泵輸出啟動(dòng)信號(hào)的同時(shí)也輸出工作指示燈。 系統(tǒng)的 輸出 I/O 分配情況如表 31 所示。 SB 為按鈕， SQ 為流量回饋信號(hào)， SP 為壓力回饋信號(hào)， ST 為水溫回饋信號(hào)， TA 為電流回饋信號(hào)， SL為水池液位回饋信號(hào)。 系統(tǒng)的輸入點(diǎn)共用 15 個(gè) I/O 口。 表 31 PLC輸入端口分配表 輸入類型 實(shí)現(xiàn)功能 I/O 分配 SB0 系統(tǒng)的單按鈕啟停 X0 SB1 集中控制、本地控制切換 X1 SB2~ SB5 本地控制時(shí)四個(gè)泵的啟動(dòng)信號(hào) X2~X5 SQ0~SQ3 四個(gè) 泵起正常的回饋信號(hào) X6~X11 SP0~SP1 壓力過大、過小回饋信號(hào) X12~X13 ST 水溫過高報(bào)警 X14 TA 電流過大報(bào)警 X15 SL 水池液位過低報(bào)警 X16 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 18 系統(tǒng)的輸出 I/O 分配表如表 32 所示。 KM 為泵， YV 為閥， HL 為 指示燈， SP 為報(bào)警蜂鳴器 。 系統(tǒng)輸出點(diǎn)共用 13 各 I/O 口。 表 32 PLC輸出端口分配表 輸出類型 實(shí)現(xiàn)功能 I/O 分配 KM0~KM3 驅(qū)動(dòng)四個(gè)泵啟動(dòng) Y0~Y3 HL0~HL3 四個(gè)泵的工作指示燈 Y0~Y3 YV0=YV3 四個(gè)閥的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào) Y4~Y7 SP0 報(bào)警蜂鳴器驅(qū)動(dòng)信號(hào) Y10 HL4 泵起異常報(bào)警 Y11 HL5 溫度過高報(bào)警 Y12 HL6 電流過大報(bào)警 Y13 HL7 水池液位過低 Y14 PLC 共用到輸入 I/O 口 15 個(gè)，輸出 I/O 口 13。 分 配圖如圖 32 所示 。PLC 的輸入有按鈕、和傳感器經(jīng)變送后的輸入。泵為電機(jī)類感性負(fù)載，所以 PLC 的輸出采用繼電器輸出，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的時(shí)候， PLC 為了自身的保護(hù)要加續(xù)流二極管。 由于泵的電流比較大，要采用帶有浪涌吸收的中間繼電器，這樣 PLC 的輸出電流只 有幾十毫安， PLC 輸出點(diǎn)的壽命會(huì)大大增加。對(duì)于燈類負(fù)載， 一般可以采取限流或者分流措施來保護(hù)觸點(diǎn)。 PLC的的輸出回路中沒有內(nèi)置熔斷器保護(hù)電路，但負(fù)載短路時(shí)輸出繼電器及印絲電路板均有燒毀的危險(xiǎn)，所以輸出端上必須接輸出熔斷器 FU，在圖 32中有指示。 PLC 的 選型和主要技術(shù)指標(biāo) PLC 共用到輸入 I/O 口 15 個(gè)，輸出 I/O 口 13， PLC 的輸出采用繼電器輸出