【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 即根據(jù)實(shí)際設(shè)定水 壓自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 自動(dòng)補(bǔ)償用水量的變化，以保證供水管網(wǎng)的壓力保持在設(shè)定值 ,既可以滿足生產(chǎn)供水要求，還可節(jié)約電能，使系統(tǒng)處于可靠工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水 [6]。 整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái) PLC， 一臺(tái)變頻器，水泵機(jī)組（本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為 3 臺(tái)），一個(gè)壓力傳感器，低壓電器及一些輔助部件構(gòu)成。 各部分功能如下： （ 1） 水泵用來(lái)提高水壓以實(shí)現(xiàn)向高處供水； （ 2） 安裝于供水管道上的遠(yuǎn)傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； （ 3） 變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量； （ 4） PLC 用于水泵的邏輯切換、控制 等； （ 5） 外圍輔助電路可 以當(dāng)自動(dòng)控 制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以通過(guò)人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運(yùn)行，以保障連續(xù) 供水 。 系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)是利用 PLC 控制系統(tǒng) 使變頻器循環(huán)控制 3 臺(tái)水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng) 水 壓的恒定和水泵電機(jī)的軟起動(dòng)以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時(shí)對(duì)運(yùn)行 過(guò)程中的 數(shù)據(jù) 信號(hào) 進(jìn)行傳輸 ，處理。 通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)管道壓力信號(hào)不斷反饋給變頻器，有變頻器自動(dòng)調(diào)節(jié)所控制水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)變頻器所控制的水泵達(dá)到工頻時(shí)還不能滿足要求時(shí)由 PLC 自動(dòng)把那臺(tái)水泵切換到工頻運(yùn)行，把變頻器自動(dòng)切換到下一臺(tái)水泵使其軟啟動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)供水量減少時(shí)在自動(dòng)進(jìn)行切換，減少水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù) ，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到水泵切換時(shí)電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象，各種連鎖保護(hù)及報(bào)警、應(yīng)急措施。 系統(tǒng) 總體 框圖如下 ： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 8 變 頻 器P L C用戶 水 源壓 力 傳 感 器控 制信 號(hào)電 源K M 1 K M 3 K M 5 K M 0 K M 2 K M 41 2 3 M3 ～M3 ～M3 ～ 圖 22 系統(tǒng)總體框圖 從整體框圖中，我們可以看出系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。 (1)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)包括 PLC系統(tǒng)、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 ① PLC系統(tǒng) :它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析 、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 9 接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) (即水泵 )進(jìn)行控制。 ② 變頻器 :它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 ③ 電控設(shè)備 :它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手 /自動(dòng)切換等。 （ 2） 信號(hào)檢測(cè) 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)水壓信號(hào)反饋信息和系統(tǒng)報(bào)警信號(hào) 。 ① 水壓信號(hào) :反映了用戶管網(wǎng)的水壓值，是恒壓供水系統(tǒng)保持恒壓的關(guān)鍵反饋信號(hào)。 ② 報(bào)警信號(hào) :監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵是不是過(guò)載、變頻器是否正常工作，為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 （ 3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是一組水泵，它們協(xié)調(diào)工作，通過(guò)控制系統(tǒng)的增減泵工作，使得用戶管網(wǎng)的水壓保持恒定。 （ 4） 報(bào)警裝置 任何一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，都離不開(kāi)報(bào)警裝置。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，安全運(yùn)行，防止因水泵過(guò)載、變頻器異常、電網(wǎng)出現(xiàn)大波動(dòng)、水源中斷、泵站內(nèi)溢水等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng) PLC收集判斷 ，進(jìn)行各種顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，維護(hù)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(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中 壓 力傳感器 將主水管網(wǎng)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)再 經(jīng) PID運(yùn)算送給變頻器，并給出信號(hào)直接控制水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號(hào)及其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短可作為 PLC進(jìn)行邏輯切換、起停泵的依據(jù) 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 10 變頻器水泵電機(jī)壓力傳感器PLC 用戶出口水壓檢測(cè)點(diǎn) 圖 23 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 流程 圖 合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)， PLC中程序首先接通 KM6，并起動(dòng)變頻器。根據(jù)壓力設(shè)定值 (根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定 )與 壓力實(shí)際值 (來(lái)自于壓力傳感器 )的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)給變頻器。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC， PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第 2臺(tái)泵 (或第 3臺(tái)泵 )。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則 PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下 1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí) PID會(huì)繼續(xù)通過(guò)由 遠(yuǎn)傳壓力表送來(lái)的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。 增泵工作過(guò)程：假定增泵順序?yàn)?l、 3泵。開(kāi)始時(shí)， 1泵電機(jī)在 PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒(méi)達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在 PLC的邏輯控制下將 1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與 2泵電機(jī)連接， 控制 2泵投 入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒(méi)到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將 2泵切換到工頻運(yùn)行，控制 3泵投入變頻運(yùn)行。 減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為 1泵。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 11 運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng) 將最后一臺(tái)正在運(yùn)行的水泵置于低速運(yùn)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(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己 運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來(lái)滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泉來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)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(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換。 盡管通用變頻器的頻率都可以在 0400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無(wú)限地增大和減小。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)， 只能在 50Hz時(shí)進(jìn)行。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。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá) 50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過(guò)水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是 0Hz。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到 0Hz。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力 矩，同時(shí)這個(gè)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(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。這個(gè)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(gè)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(chǎng)所有關(guān)，一般在 20Hz左右。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 12 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。所謂延時(shí)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(jìn)行機(jī)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(shí)間（比如 12分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作 ； 如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說(shuō)明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 13 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PLC 選型及接線 PLC 選型 PLC 即 可編程序控制器， 是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用以在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí) /計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。 PLC 是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是 PLC 的程序編制，不需要專門(mén)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而 是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶在購(gòu)到所需的 PLC 后，只需按說(shuō)明書(shū)的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將 PLC 應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐 [1]。 PLC是該控制系統(tǒng)的核心部件，合理選擇 PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量至關(guān)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(hù)使用方便及最佳的性能價(jià)格比 。 目前市場(chǎng)上的 PLC種類繁多， 近年來(lái)，從美國(guó)、日本、德國(guó)引進(jìn)的 PLC產(chǎn)品及國(guó)內(nèi)廠家組 裝或自行開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個(gè)系列，上百種型號(hào)。其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價(jià)格等各有自己的特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對(duì)于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用。一般選擇機(jī)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(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。世界各國(guó)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的 PLC雖然外觀各異，但作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)都大河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 14 體相同。主要由中央處理器（ CPU） 、存儲(chǔ)器（ RAM、 ROM） 、輸入輸出單元（ I/O）接口、電源及外圍設(shè)備等 幾大部分構(gòu)成。 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31所示： 電源輸入單元外設(shè)接口輸出單元擴(kuò)展接口運(yùn)算器控制器系統(tǒng)程 （ ROM ）用戶程序 ( RA M )微處理器 ( CP U )存儲(chǔ)器主機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備編程器磁帶機(jī)打印機(jī)EP ROM 寫(xiě)字機(jī)圖形監(jiān)控系統(tǒng)外圍設(shè)備PLC 或上位計(jì)算機(jī)擴(kuò)展單元 圖 31 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖 在選擇 PLC 的型號(hào)時(shí)一般從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮 ： (1)功能要適當(dāng)。 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(dāng)然要兼顧維修、備件的通用性。 (2)I/O 點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)。準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總需要量是PLC 選型的基礎(chǔ)。把各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列出，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)出 I/O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上加 15%～ 20%的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。 (3)充分考慮輸入輸出信號(hào) 的性質(zhì)。除決定好 I/O 點(diǎn)數(shù)外，還要注意輸入輸出信號(hào)的性質(zhì)、參數(shù)等。 (4)估算系統(tǒng)對(duì) PLC 響應(yīng)時(shí)間的要求。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)說(shuō)， PLC 的響應(yīng)時(shí)間不是主要的問(wèn)題。響應(yīng)時(shí)間包括輸入濾波時(shí)間、輸出濾波時(shí)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(shí)間小于掃描周期的輸入信號(hào)。為此，需要選取掃描速度高的 PLC，像 FX2N 型 PLC 能處理速度達(dá)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說(shuō)明書(shū) 15 。 (5)根據(jù)程序存儲(chǔ)器容量選型。 PLC 的程序存儲(chǔ)器容量通常以字或步為單位。 PLC 的程序步是由一個(gè)字構(gòu)成的，即每個(gè)程序步占一個(gè)存儲(chǔ)器單元 。用戶程序所需存儲(chǔ)器容量可以預(yù)先估算。對(duì)于開(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)等于 I/O 信號(hào)總數(shù)乘以 8。 關(guān)于 PLC 的選型問(wèn)題，當(dāng)然還應(yīng)考慮到 PLC 的聯(lián)網(wǎng)通信功能、價(jià)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(shè)備的選擇。小型 PLC 控制系統(tǒng)通常都選用價(jià)格便宜的簡(jiǎn)易編程器。如果系統(tǒng)大，用 PLC 多，選一臺(tái)功能強(qiáng)、編程方便的圖形編程器也不錯(cuò)，如果有現(xiàn)成的個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可選用能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。 FX2N系列 PLC 是由三菱公司近年來(lái)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(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)，具有較高的性能價(jià)格比，應(yīng)用廣泛。三菱的 FX2N系列 P