【文章內(nèi)容簡介】 ，此時，通過控制系統(tǒng)的控制， 2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 1號泵電機，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4 時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 一 臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)的控制，可將 2 號泵電機停運， 1號泵電機仍由變頻器供電，這時，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài) 1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要 。 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 14 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 界 面上 位 機 、組 態(tài) 等變 頻 器水 泵 機 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：(1) PLC 及其擴展模塊、 (2) 變頻器、 (3) 水泵機組、 (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 模擬量擴展模塊 Siemens EM 235 變頻器 富士公司的 P11S 系列 水泵機組 SFL 系列水泵 3 臺（上海熊貓機械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 HRYTZ 電阻遠傳壓力表 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯公司 ) PLC 及其擴展模塊的選型 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 15 采集、所有輸出單元的控制、恒壓的實現(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； PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。 PLC和上位機的通信采用 PC/PPI 電纜，支持點對點接口 (PPI)協(xié)議，PC/PPI 電纜可以方便實現(xiàn) PLC 的通信接口 RS485 到 PC機的通信接口 RS232 的轉(zhuǎn)換，用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩?保護 [3]。 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(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，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸入形式為 +24V 直流輸入。由于實際中需要模擬量輸入點 1 個，模擬量輸出點 1個，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是 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)進行設(shè)置。 變頻器的介紹 選擇變頻器規(guī)格 變頻器產(chǎn)品說明書都提供了標(biāo)稱功率數(shù)據(jù)，但實際上限制變頻器使用功率的是定子電流參數(shù)，因此，直接按照變頻器標(biāo)稱功率進行選擇，在實踐中可能會行不通。根據(jù)具體工程情況，可以有幾種不同的變頻器規(guī)格選擇方式。 一般而言，按照標(biāo)稱功率選擇只適合作為 初步投資估算依據(jù)，在不清楚電動機額定電流時使用，比如電動機型號還沒有最后確定的情況。作為估算依據(jù)，在 16 一般恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載應(yīng)用時可以放大一級估算，例如， 90KW 電動機可以選擇 110KW變頻器。在需要按照過載能力選擇是，可以放大一倍來估算，例如， 90KW 電動機可以選擇 185KW 變頻器。 對于多數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載新設(shè)計項目，可以按照這個方式選擇變頻器規(guī)格： Ievf≥K 1Ied (31) 式中， Ievf 是變頻器額定電流； Ied是電動機額定電流； K1是電流裕量系數(shù)，根據(jù)應(yīng)用情況一般可取為 ～ ，一般情況可取小值，在電動機持續(xù)負(fù)載率超過 80%時，則應(yīng)該取大值，因為多數(shù)變頻器的額定電流都是以持續(xù)負(fù)載率不超過 80%來確定的。另外，啟動停止頻繁的時候也應(yīng)該考慮取大值，這是因為啟動過程以及有制動電路的停止過程電流會短時超過額定電流，頻繁啟動停止則相當(dāng)于增加了負(fù)載率。 這個方式用于改造工程，對于原來電動機已經(jīng)處于大馬拉小車的情況，可以選擇功率比較合適的變頻器以節(jié)省投資： Ievf≥K 2Id (32) 式中， K2 是電流裕量系數(shù)，考慮到測量誤差，可取 K2=～ ，在頻繁啟動停止時應(yīng)該取大值； Id 是電動機實測運行電流，指的是穩(wěn)態(tài)運行電流，不包括啟動、停止和負(fù)載突變的動態(tài)電流，實測時應(yīng)該針對不同工況作多次測量，取其中最大值。 變頻器的電流過載能力通常比電動機的轉(zhuǎn)矩過載能力低，因此，按照常規(guī)配備變頻器時電動機轉(zhuǎn)矩過載能力不能充分發(fā)揮作用。由于變頻器能 夠控制在穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩下持續(xù)加速直到全速運行，因此，平均加速度并不低于直接啟動的情況，一般應(yīng)用中沒有什么問題。 通過上述論述和系統(tǒng)要求，決定選用富士公司的 P11S 系列變頻器。 P11S 系列是風(fēng)機泵用標(biāo)準(zhǔn)系列，采用 高性能和多功能的理想結(jié)合動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制 ， 能在各種運行條件下實現(xiàn)對電動機的最佳控制。動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制是一種先進的驅(qū)動 控制技術(shù) [4]。 17 開關(guān)指令信號的輸入 變頻器的輸入信號中包括對運行、停止，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、微動等運行狀態(tài)進行操作的開關(guān)型指令信號 (數(shù)字輸入信號 )。變頻器通常利用繼電器接點或具有繼電器接點開關(guān)特性 的元器件 (如晶體管 )與 PLC 連接，獲取運行狀態(tài)指令。使用繼電器接點時，常因接觸不良而帶來誤動作 。使用晶體管進行連接時，則需要考慮晶體管本身的電壓、電流容量等因素，保證系統(tǒng)的可靠性。在考慮變頻器的輸入信號電路時還應(yīng)該注意到，當(dāng)輸入信號電路連接不當(dāng)時有時會造成變頻器的誤動作。如當(dāng)輸入信號電路采用繼電器等感性負(fù)載，繼電器開閉時產(chǎn)生的浪涌電流帶來的噪聲有可能引起變頻器的誤動作，應(yīng)該盡量避免，這時可以考慮采用阻容振蕩吸收，光電隔離的方式。 變頻器與 PLC 的連接 V V V FRSTUVWMY 2Y 1C M EY 5 CX 1F W D1 2C M頻 率 到 達 5 0 H Z頻 率 到 達 5 H Z1 1Y 5 AQ FK MK A 3K A 42 4 VF R 圖 變頻器 18 圖 變頻器與 PLC 的連接 19 變頻器與 PLC 的連接如 圖 所示，其中變頻器各端子功能如下： R,S,T 端子為主電路的電源輸入端子，連接三相電源，不需考慮連接相序；U,S,W 端子為變頻器輸出連接端子，連接三相電機水泵，如電機轉(zhuǎn)動方向不對，則可交換其中的任意兩相； G 端子為接地端子；端子 11 為模擬輸入信號的公共端子；端子 12 為設(shè)定電壓輸入端，輸入 PID 控制的反饋信號，以此來設(shè)定頻率；FWD 端子為正轉(zhuǎn)運行 /停止命令端子，端 子 FWDCM 間：閉合（ ON），正轉(zhuǎn)運行；斷開（ OFF），減速停止，此端子有 PLC 輸出點控制；接點輸入公共端 CM 為接點輸入信號的公共端子； X1為選擇輸入 1端子，作為報警復(fù)位命令信號端子； YY2 為晶體管輸出 1 端子與晶體管輸出 2 端子，為水位上限與下限報警端子；晶體管輸出公共端 CME，為晶體管輸出信號的公共端子，端子 CM和 11在變頻器內(nèi)部相互絕緣；可選信號輸出繼電器端子 Y5A,Y5C,為變頻器報警輸出端子 [5]。 傳感器 在工程上，所謂壓力，是指一定介質(zhì)垂直作用于單位面積上的力。壓力測量有很多方法，有利用液體在重力作用下液位發(fā)生改變與被測壓力平衡的液柱測壓法，有根據(jù)彈性原件受力變形的測壓法，也有將被測壓力轉(zhuǎn)換成各種電量的電測法等。 在壓力測量中，常有絕對壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在單位面積上的全部壓力，用 PA 表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產(chǎn)生的平均壓力稱為大氣壓力，用 P0 表示。用來測量大氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差稱為表壓力，用 PI 表示。即 PI=PAP0 （ 33） 由于工程上需測量的往往是物體超出大氣壓力之外所受的壓力，因而所使用的壓力儀表測量的值稱為表壓力。顯然當(dāng)絕對壓力值 PA 小于大氣壓力值 P0時，表壓力為負(fù)值，所測值稱為負(fù)壓力或稱真空壓，它的絕對值稱為真空度。壓力在國際單位制中的單位是牛頓 /平方米，通常稱為帕斯卡或簡稱帕 (Pa)，工業(yè)上常 20 采用千帕 (kPa)或兆帕 (MPa)作為壓力的單位 [6]。 設(shè)計中需要測量管道出口處的壓力值，故采用遠傳壓 力表?？删偷仫@示壓力值，還可以將信號送到控制器。青島奧斯特技術(shù)開發(fā)有限公司的 HRYTZ 電阻遠傳壓力表 ，如圖 所示。 HRYZ 表示壓力真空表 ； HRZ 表示真空表 ； HRY 表示一般壓力表 ； HRYB 表示精密壓力表 。 圖 遠傳壓力表 用途說明： 電阻遠傳壓力表適用于測量對銅及銅合金不起腐蝕作用的液體、蒸汽和氣體等介質(zhì)的壓力。因為在儀表內(nèi)部設(shè)置一滑線電阻式發(fā)送器，故可把被測值以電量值傳至遠離點的二次儀表上，以實現(xiàn)集中檢測和遠距控制。此外，本儀表并能就地指示壓力，以便于現(xiàn)場工藝檢查。 主要技術(shù)要求： 精確度等級： 發(fā)送器起始電阻值： 3～ 20Ω 發(fā)送器滿度電阻值： 340～ 400Ω 21 第四章 恒壓供水 系統(tǒng) 電路 設(shè)計 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 ：三臺電機分別為 MM M3，它們分別帶動水泵 3。接觸器 KM KM KM5 分別控制 MM M3 的工頻運行；接觸器 KM KM KM6 分別控制 M M M3 的變頻運行；FR FR FR3 分別為三臺水泵電機過載保護用的熱繼電器； QS QS QSQS4 分別為變頻器和三臺水泵 電機主電路的隔離開關(guān)； FU 為主電路的熔斷器。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運行方式，即 3臺水泵中只有 1臺水泵在變頻器控制下作變速運行，其余水泵 在工頻下 做恒速運行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運行時間超過 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)三臺水泵都可輪流做變頻泵。 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 22 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通過接觸器的觸點接至電機。當(dāng)電機工頻運行時，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，同時實現(xiàn)短路保護，每臺電動機的過載保護由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實現(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，當(dāng)電動機接通工頻回路時，變頻回路接觸器的觸點必須先行斷開。同樣從工頻轉(zhuǎn)為變頻時，也必須先將工頻接觸器斷開，才允許接通變頻器輸出端接觸器，所以 KM1 和 KM KM3 和KM KM5 和 KM6 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)控電機負(fù)載運行情況，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。初始運行時，必須觀