【正文】 輸出端 PLC 的輸出端口包括 ： 機組 I 內(nèi)控制 1電機的兩個交流接觸器的動作，分別對應變頻 /工頻兩個工作狀態(tài) ： 1水泵相應閥門的正反轉 ： 2電機變頻運行時交流接觸器的動作 ： 2水泵相應閥門的正反轉 ： 機組 II 內(nèi)控制 3電機變頻 /工頻 29 運行的兩個交流接觸器 ： 3水泵相應閥門的正反轉 ： 4電機變頻運行的交流接觸器動作 ： 4水泵相應閥門的正反轉等。 PLC 與所有交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中強電和弱電之間的隔離，保護 PLC 設備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。 對于變頻器，不僅需要一個中間繼電器來控制變頻器的 FWD 和 CM的通斷，以實現(xiàn)變頻器的運行和停止 ： 而且還需要一個中間繼電器來控制變頻器的 BX 和CM 的通斷，斷開變頻器的輸出，以實現(xiàn)變頻 /工頻的切換。 此外，對于電動機熱保護繼電器的輸入，需要四個端口以顯示是哪一臺電機出現(xiàn)故障，還需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。 （ 3） PLC 的模擬量輸入、輸出 PLC 的模擬輸入端口包括壓力傳感器檢測的管網(wǎng)壓力信號，是以標準電流信號 4~20mA 進行傳輸?shù)?： 變頻器反饋的電機頻率信號為 0~10V 的電壓信號。 （ 4） PLC 的選型 所需端子數(shù)目除了要考慮控制系統(tǒng)實際需求外，還要留有一定 的余量，以為新設備的加入或設備調整留有余地。所選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為CPU266，其開關量輸出 （ DQ） 為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ： 開關量輸入為 24 點，輸入形式為 +24V 直流輸入。由于實際的開關量輸出只有 22點，所以需要擴展，擴展模塊選擇的是兩個 EM222 型模塊。該模塊有 8 個開關量輸出點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 。 此外，為了方便地將管網(wǎng)壓力信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC，經(jīng)比較計算后轉換為相應的控制信號，選擇了 EM235 模擬量擴展模塊。該模塊有 4 個模擬輸入 （ AIW） } 1 個模擬輸出 （ AQW） 信號通道。信號接入端口能夠自動完成 A/D 轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長 （ 16bit） 的數(shù)字信號 ： 輸出信號接出端口能夠自動完成 D/A 的轉換，一個字長 （ 16bit） 的數(shù)字信號能夠轉換成標準輸出信號。 EM23 5 模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP 開關進行設置。 一個 CPU266 主模塊、兩個 EM222 擴展模塊以及一個 EM23 5 模擬量擴展模塊共有 24 個數(shù)字信號輸入， 32 個數(shù)字信號輸出， 4 個模擬輸入信號以及 1 個 30 模擬輸出信號。輸入和輸出均有余量，可以滿足口后系統(tǒng)擴 充的需要。 PLC 的程序設計 PLC 控制程序可采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 編程軟件進行開發(fā)。該軟件的 SIMATIC 指令集包含三種語言，即語句表 （ STL）語言、梯形圖 （ LAD） 語言、功能塊圖 （ FWD） 語言。語句表語言類似于計算機的匯編語言，特別適合于來自計算機領域的工程人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機器硬件的語言。梯形圖語言最接近于繼電器、接觸器控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖，是應用最多的一種編程語言。與計算機語言相比，梯形圖可以看作是 PLC 的高級語言，幾乎不用去考慮系統(tǒng)內(nèi)部的結構原理和硬件邏輯，因此，很容易被一般的電氣工程設計和運行維護人員所接受，是初學者理想的編程工具。功能塊圖的圖形結構與數(shù)字電路的結構極為相似，功能塊圖中每個模塊有輸入和輸出端，輸出和輸入端的函數(shù)關系使用與、或、非、異或邏輯運算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。 PLC 控制程序由一個主程序、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過 PC/PPI 電纜把程序下載到 PLC。控制任務的完成，是通過在 RUN模式下主機循環(huán)掃描并連續(xù)執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的。 一 、控制 系統(tǒng)主程序設計 PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、小功率水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機換機程序、閥門開啟關閉程序、模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算程序、停機程序和報警程序等構成。 （ 1） 系統(tǒng)初始化程序 在系統(tǒng)開始工作的時候，先要對整個系統(tǒng)進行初始化，即在開始啟動的時候，先對系統(tǒng)的各個部分的當前工作狀態(tài)進行檢測，如出錯則報警，接著對模擬量 （ 管網(wǎng)壓力、電機頻率 ） 數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。系統(tǒng)進行初始化是在主程序中通過調用子程序來是實現(xiàn)的。 （ 2） 水泵電機起動程序 由于自 動控制系統(tǒng)采用分組方式運行，在選擇不同機組運行時， PLC 程序自動完成相應的電機起動。水泵電機起動前先要保證變頻器三相電源輸入端得電，PLC 發(fā)出指令，使連接變頻器三相電源輸出端與電機的接觸器閉合，延時幾秒后 31 自動接通變頻器的外控端子 FWDCM 之間的常開觸點，同時要保證 BXCM 之間斷開。 （ 3） 小功率水泵電機變頻 /工頻切換程序 小功率水泵電機變頻起動后，當變頻器輸出頻率達到 50Hz 時，先由鑒頻鑒相控制器檢測工頻電源和變頻輸出電源相位是否一致，若相位一致， PLC 的擴展模塊接受控制器 3， 4 端子的 0V 電壓信號，經(jīng)由 PLC 比較計算， PLC 執(zhí)行一系列動作，使 BXCM 之間接通，切斷變頻器的輸出，使變頻器的輸出電流為零。經(jīng)瞬間延時后，迅速切斷變頻接觸器和變頻器控制端子 FWDCM，在此狀態(tài)下，切斷變頻接觸器既保證了在切換時工頻電源和變頻電源相位一致，也從根本上消除了接觸器的觸頭間的電弧。然后再由 PLC 迅速發(fā)出命令，快速吸合工頻接觸器，如此便實現(xiàn)了快速切換的目的。若相位不一致，控制器在 3， 4 端子輸出 +5 V的電壓信號，送入 PLC 的 EM235 端口，經(jīng) PLC 比較計算，并不完成切換動作，從而保證變頻器和水泵電機的安全運行。 （ 4） 水泵電機換機程序 水泵電機換機程序設計包括組內(nèi)切換和組間切換。組內(nèi)切換是根據(jù)不同時段管網(wǎng)壓力大小和電機反饋頻率大小來進行換機。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)有三個工作狀態(tài)，即小功率電機變頻起動 ： 小功率電機工頻運行，大功率電機變頻運行 ： 大功率電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)之間就要發(fā)生相應轉換，因此這三種工作狀態(tài)也對應著三個切換過程。在水泵電機換機程序設計中，必須認真考慮這三個切換過程，才能保證系統(tǒng)在一個工作周期內(nèi)實現(xiàn)正常切換與運行 。由于電機切換涉及到不同時段管網(wǎng)壓力大小和電機反饋頻率大小比較計算，因此在組內(nèi)切換程序設計中還應包含模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算和邏輯運算程序設計。 組間切換是根據(jù)機組運行時間的長短來自動完成不同機組件的切換。當一組中的大功率電機連續(xù)運行超過 48 小時后，必須使該機組停下來，自動啟動另一組水泵機組運行。 （ 5） 閥門開啟關閉程序 閥門開啟關閉程序既包含水泵機組起動和停機時的閥門開啟與關閉，也包含 32 水泵機組在自動切換過程中的閥門開啟與關閉。在閥門開啟關閉程序設計中必須注意此原則 ： 開機時，保證先開機，再開閥 ： 停機時先 關閥，再停機。 （ 6） 停機程序 水泵機組在停機之前必須保證對應的閥門關閉好以后，才能關閉水泵機組。停機程序設計時要考慮停機動作與閥門關閉之間的互鎖。當按下一組電機停止按鈕時，該水泵機組的所有運行的電機都會停止運行。 （ 7） 報警程序 報警程序是依據(jù)電動機的熱繼電器動作進行設計的，當電動機過熱時，熱繼電器常開觸點閉合，作為 PLC 的輸入條件。對于電動機的熱繼電器輸入，報警指示輸出既需要四個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。 二、控制系統(tǒng)子程序設計 PLC 子程序設計共包括四個子程序，分別 是模擬量初始化子程序、模擬量數(shù)據(jù)處理子程序、自由通信初始化子程序、自由數(shù)據(jù)通信子程序。 模擬量初始化子程序是將模擬量 （ 管網(wǎng)壓力、電機頻率 ） 數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)表進行初始化處理，賦予一定的初值。模擬量數(shù)據(jù)處理子程序是采集管網(wǎng)壓力信號和電機頻率信號，并進行平均值處理。 自由通信初始化子程序主要是完成通信端口的設置，自由通信設置主要是通過特殊標志寄存器 （ SM） 來完成的。如用 SM30 來設置端口號，用 SM86~SM95來設置通信傳輸數(shù)據(jù)格式、傳輸信息字節(jié)長度、信號傳輸空閑時間、起止標志符等等。自由數(shù)據(jù)通信子程序設計就是要求 把當前設備的運行狀態(tài)、管網(wǎng)壓力、電機頻率一起傳輸給自由通信口。在程序設計中，設備的運行狀態(tài)是依據(jù)輸出繼電器 （ Q） 的狀態(tài)來確定的 ： 由于管網(wǎng)壓力和電機頻率接入 EM235 模塊時自動完成 A/D 轉換，因此管網(wǎng)壓力和電機頻率都是以數(shù)字量傳輸給自由通信口的。 小結 本章介紹了基于 PLC 的變頻調速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調整電機轉速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵 33 的流量調節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。本章的重點內(nèi)容 包括變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的組成和方案，控制系統(tǒng)的硬件設計和 PLC 程序設計。概括如下 ： （ 1） 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)構成由可編程控制器 （ PLC） 、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動 4 臺電動機的起動、運行與調速，其中兩臺大機和兩臺小機分別采用循環(huán)使用的方式運行。 PLC 上接工控計算機，壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號，變頻器輸出電機頻率信號，兩個信號反饋給 PLC 的 PID 模塊， PLC 根據(jù)這兩個信號經(jīng) PID 運算，發(fā)出指令，對水泵電機進行工頻和變頻之間的切換。 （ 2） 控制系統(tǒng)的硬件設 計含有主電路設計、控制電路設計以及 PLC 的選型與配置。在硬件系統(tǒng)主電路設計中，采用一臺變頻器連接 4 臺電動機，小機具有變頻 /工頻兩種工作狀態(tài)，電機通過兩個接觸器與工頻電源和變頻器輸出電源相聯(lián) ： 大機只有變頻工作狀態(tài)，電機只通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。水泵閥門主電路用兩個交流接觸器來控制電動機的正反轉，實現(xiàn)閥門的開啟和關閉。在控制電路的設計中，為了保護 PLC 設備， PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是通過中間繼電器去控制電機或者閥門的動作，實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互 鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現(xiàn)分組的組內(nèi)自動循環(huán)，所以電路的互鎖包括組內(nèi)互鎖和組間互鎖。 （ 3） 控制系統(tǒng)采用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型 PLC。系統(tǒng)中 PLC 設備包括一個 CPU266 主模塊，兩個 EM222 擴展模塊，一個 EM23 5 模擬量擴展模塊。如此 PLC 總共有 24 個數(shù)字信號輸入， 32 個數(shù)字信號輸出，以及 4 個模擬輸入信號， 1 個模擬輸出信號。 （ 4） 程序編制采用 SIEMENS 公司提供的 STEP7 MOCRO/WIN32 編程軟件進行開發(fā)。 PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機起動程序、小功率水泵電機變頻 /工頻切換程序、水泵電機換機程序、閥門開啟關閉程序、模擬量 （ 壓力、頻率 ） 比較計算程序、停機程序和報警程序等構成。 PLC 子程序設計共包括四個子程序，分別是模擬量初始化子程序、模擬量數(shù)據(jù)處理子程序、自由通信初始化子程序、自由數(shù)據(jù)通信子程序。 34 第四章 恒壓供水變頻 — 工頻切換問題研究 變頻與工頻切換的理論分析 各站供水系統(tǒng)中 ，多采用一臺小機水泵和兩臺大機水泵供水，其中只有一臺大機用變頻器拖動實行變頻調速來調節(jié)管網(wǎng)中的流量以保證恒壓供水，而其它水泵機組仍采用原有的自禍降壓啟動模式實現(xiàn)恒速 泵控制。由于這些水泵機組功率很大，自禍降壓起動時會產(chǎn)生很大的沖擊電流，對電機壽命的影響和電網(wǎng)沖擊都不容忽視。若采用多臺變頻器分別對多臺水泵電機實現(xiàn)控制，雖然可以很好地解決軟起動問題，但勢必增加設備成本，從能耗的角度來看也不劃算。若用單臺變頻器拖動多臺電機變頻運行，則存在這樣一個問題，即大功率電機如何 實現(xiàn)變頻轉工頻問題。變頻轉工頻能否成功，關鍵在于變頻轉工頻瞬時， 工頻電源和變頻電源是否相位一致 。 三相異步電動機的電壓方程和等效電路 電壓方程 一、定子電壓方程 以同步轉速旋轉的主磁場將在定 子三相繞組內(nèi)感應出對稱的三相電動勢 。根據(jù)基爾霍夫定律，定子每相所加的電源電壓應當?shù)扔谠撾妱觿莸呢撝导由隙ㄗ与娏魉a(chǎn)生的漏阻抗壓降，即定子的電壓方程為 ： . )( EJXRIU ??? ? （ 41） 式中， 為定子每相所加的電源電壓 ： 為氣隙主磁通在定子一相繞組中所感應的電動勢 ； 為定子相電流 ： 1R 、 ?1X 為定子每相的電阻和漏抗。而感應電動勢 等于 ： mm ZIE .1. ?? （ 42） 式中， mZ 稱為激磁阻抗 ， 它是表征鐵心磁化特性和鐵耗的一個綜合參數(shù)，其大小等于單位激磁電流產(chǎn)生的主磁通在定子每相繞組中感應的電動勢 ； mI. 為 35 激磁電流，若主磁路的磁化曲線用一條線性化的磁化曲線表示，則 主磁通中 m.?