【文章內容簡介】 核心，通過改變電機的頻河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 7 頁 率實現(xiàn)電機的無級調速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 從原理框圖，可以看出變頻調速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。 圖 系統(tǒng)原理圖 （ 1） 執(zhí)行機構 執(zhí)行機構是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，圖中的 3 個水泵分為2 種類型： 調速泵：是由變頻調速控制、可以進行變頻 調整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 恒速泵：水泵運行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調速泵的最大供水能力不足時，對供水量進行定量的補充。 （ 2） 信號檢測 在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括自來水出水水壓信號和報警信號： ①水壓信號： 它 反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。 ②報警信號：它反映系統(tǒng)是否正常運行，水泵電機是否過載、變頻器是否有異常。該信號為開關量信號。 （ 3） 控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器（ PLC 系統(tǒng)）、變 頻器和電控設備三個部分。 ①供水控制器：它是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對系統(tǒng)中的工況、壓力、報警信號進行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構的控制方案，通過變頻調速器和接觸器對執(zhí)行機構（即水泵）進行控制。 ②變頻器：它是對水泵進行轉速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調速泵的運行頻率，完成對調速泵的轉速控制。 河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 8 頁 ③電控設備：它是由一組接觸器、保護繼電器、轉換開關等電器元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對水泵的切換、手 /自動切換。 （ 4） 人機界面 人機界面是人與機器進行信息交流的場所。通過人機界面，使用者可以更改設定值，修改一些系統(tǒng)設定以滿足不同工藝的需求，同時使用者也可以從人機界面上得知系統(tǒng)的一些運行情況及設備的工作狀態(tài)。人機界面還可以對系統(tǒng)的運行過程進行監(jiān)視，對報警進行顯示。 （ 5） 通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，同時通過通信接口，還可以將現(xiàn)代先進的網(wǎng)絡技術用到本系統(tǒng)中來，例如可以對系統(tǒng)進行遠程的診斷和維護等 （ 6） 報警裝置 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成 部分。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運行，防止因電機過載、變頻器報警、電網(wǎng)過大波動、供水水源中斷、出水超壓、泵站內溢水等等造成的故障，因此必須要對各種報警量進行監(jiān)測，由 PLC 判斷報警類別，進行顯示和保護動作控制，以免造成不必要的損失 供水系統(tǒng)的主電路接線及其工作原理 圖 系統(tǒng)主接線圖 由圖 可知， 電機有兩種工作模式即：在工頻電下運行和在變頻電下運行。KM KM KM5 分別為電動 機 M1 、 M2 、 M3 工頻運行時接通電源的控制接觸器， KM0、 KM2 、 KM4 分別為電動機 M M M3 變頻運行時接通河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 9 頁 電源的控制接觸器。 熱繼電器 (FR)是利用電流的熱效應原理工作的保護電路，它在電路中的用作電動機的過載保護。 熔斷器（ FU）是電路中的一種簡單的短路保護裝置。使用中，由于電流超過允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設備短路和嚴重過載。 河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 10 頁 第 3 章 器件的選型及介紹 本論文設計主要用到 PLC（即 可編程邏輯控制器 ），變頻器， PID 調節(jié)器 ，壓力傳感器及其他輔助元器件，本章主要介紹這些器件的選型及相關介紹。 可編程控制器 PLC 可編程控制器是 60 年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當時稱作可編程邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC。 簡介 PLC 的產(chǎn)生 20 世紀 60 年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，為了適應白熱化的市場競爭要求， 1968 年美國通用汽車公司（ GM）公開招標，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是： （ 1）編程方便，可現(xiàn)場修改程序； （ 2）維修方便，采用插件 式結構； （ 3）可靠性高于繼電器控制裝置； （ 4）體積小于繼電器控制盤； （ 5）數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機； （ 6）成本可與繼電器控制盤競爭； （ 7）輸入可以是交流市電（ 115V）（美國電壓標準） （ 8）輸出為交流 115V，容量要求在 2A 以上，可直接驅動接觸器、電磁閥等； （ 9）擴展時原系統(tǒng)改變??； （ 10）用戶程序存儲器至少能擴展到 4KB。 這就是著名的 “GM 十條 ”。 1969 年美國數(shù)字設備公司（ DEC）中標后，制造出世界上第一臺可編程序控制器。（ Programmable Logic Controller, 簡稱PLC）。 16 位和 32 位微處理器的應用，使 PLC 得到了驚人的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為自動 化技術的三大支柱之一。 簡介 PLC 的發(fā)展狀況 及其發(fā)展趨勢 現(xiàn)在的 PLC 產(chǎn)品已經(jīng)使用了 16 位、 32 位高性能微處理器，而且實現(xiàn)了多處河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 11 頁 理器的多通道處理，通信技術使 PLC 的應用得到進一步發(fā)展。 PLC 的技術已經(jīng)非常成熟。 目前，世界上有 200 多個廠家生產(chǎn) PLC 產(chǎn)品。比較著名的有美國的 AB、通用（ GE）、莫迪康（ MODICON）、日本的三菱（ MITSUBISHI）、歐姆龍（ OMRON）、富士電機（ FUJI）、松下電工 、德國的西門子（ SIEMENS）、法國的 TE、施耐德（ SCHNEIDER）、韓國的三星（ SAMSUNG）、 LG 等。 PLC 總的發(fā)展趨勢是向高集成度、小體積 、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾方面： (1). 向小型化 、專用化、低成本方向發(fā)展 (2). 向大容量、高速度方向發(fā)展 (3). 智能型 I/O 模塊的發(fā)展 (4). 基于 PC 的編程軟件取代編程器 (5). PLC 編程語言的標準化 (6). PLC 通信的易用化 . (7). 組態(tài)軟件與 PLC 的軟件化 (8). PLC 與現(xiàn)場總線相結合 簡介 PLC 的應用領域 目前 PLC 在國內外廣泛應用于 鋼鐵、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環(huán)保和娛樂等行業(yè)。 （ 1）順序控制 例如：注塑機械、印刷機械、訂書機械、包裝機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配生產(chǎn)線、電鍍流水線及電梯控制等等。 （ 2）運動控制（ 3）過程控制 PLC 能控制大量的過程參數(shù)，例如：溫度、流量、壓力、液位和速度。（ 4）數(shù)據(jù)處理（ 5）通信聯(lián)網(wǎng) PLC 的工作過程 PLC 是在系統(tǒng)軟件的控制 和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工作方式，其工作過程就是程 序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如圖 所示。 河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 12 頁 PLC的掃描工作過程 PLC 在 I/O 處理方面必須遵守的規(guī)則如下： ① 輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(tài)； ② 程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)； ③ 輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結果決定。 ④ 輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； ⑤ 輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存 器中的狀態(tài)決定。 PLC 的選型 水泵 M M2， 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(shù)量一共 9 個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?2 個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用 PLC2 個輸入點，系統(tǒng)自動 /手動起動需 1 輸入點，手動控制電機的工頻 /變頻運行需 6 個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需 1 個輸入點，檢測電機是否過載需 3 個輸入點，共需 15 個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入／輸出點數(shù)量共為 24 個點。本系 統(tǒng)選用 FXos30MRD 型 PLC。 變頻器 變頻器的構成 通常由變頻器主電路（ IGBT、 BJT、或 GTO 作逆變元件）給異步電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 13 頁 快速響應的場合，運算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等 圖 變頻器的構成 給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。 ① 整流器 最近大量使用的是二極管的交流器，圖 所示，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M晶體管交流器構成可逆變流器，其功率方向可逆，可以再生運轉。 ② 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的 脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 ③ 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù) PWM 控制信號使 6 個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 14 頁 流輸出。 圖 以電壓型 PWM 逆變器為例示出開關時間和電壓波形。 圖 電壓型逆變器的輸出 電壓 ④制動回路 異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉差率為負），再生能量儲存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設置制動回路（開關和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。 圖 典型的電壓型逆變器一例 2. 控制電路 河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文 第 15 頁 給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“ 電壓 /電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。 在圖 點劃線內，僅以控制電路 A 部分構成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： ① 運算電路 將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 ② 電壓 /電流檢測電路 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等 。 ③ 驅動電路 為驅 動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。 ④ 速度檢測電路 以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（ TG、 PLG 等）的信號為速度信號 送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉。 ⑤ 保護電路 檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 保護回路主要包括： （ 1）逆變器保護 1）瞬時過電壓保護。由于逆變器負載側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同 樣停止逆變器運轉。 2）過載保護。逆變器輸出電流超過