【正文】 ⑺ 工控機作為人機界面，要能夠完成較復雜的人機交流，具體完成如下功能:①狀態(tài)采集功能；②狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理與分析； ③報警功能；④集中顯示功能； ⑤存儲功能；⑥查詢功能； ⑦報表生成及打印功能⑻ 硬件的選擇要留有余地，特別是PLC的I/O點數(shù)和內部繼電器數(shù)，為以后的功能擴展和系統(tǒng)升級做好準備。⑼ 應該做到系統(tǒng)無故障運行時，基本上可以做到無人自動恒壓變頻無級別調速運行。 總體結構關系和工作流程的簡單介紹 總體結構關系介紹根據(jù)系統(tǒng)功能設定和機械結構，本系統(tǒng)采用PLC和變頻器變頻調速兩層控制的結構。 PLC負責按鈕、模擬信號和其他開關量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、變頻器等電氣元件，進而控制水泵的運轉及整個系統(tǒng)的正常運行。另外，PLC還負責各種異常情況的處理。而變頻器則主要是負責控制當前電機轉速，使轉速的變化能跟隨用水量的變化。也就是說PLC是宏觀調控，變頻器則微觀調控，兩者緊密結合，共同完成了系統(tǒng)的變頻恒壓控制任務。系統(tǒng)開始運行后，PLC給變頻器啟動信號，轉速信號和復位信號，變頻器則給PLC提供變頻器故障信號，PLC根據(jù)故障信號進行處理，監(jiān)控變頻器的運行。工控機則負責對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，從而完成一些監(jiān)控工作。PLC是上位機，變頻器是下位機。 PLC、變頻器和工控機的連接 工作流程簡介系統(tǒng)開始運行之前，應先把管網(wǎng)壓力參數(shù)設定值SP賦給PLC、變頻器。按下全自動按鈕，系統(tǒng)開始運行，PLC給變頻器RUN信號，然后判斷變頻器能否工作正常，正常的話采用全自動變頻恒壓控制方式，反之采用全自動工頻運行方式。現(xiàn)在假設變頻器工作正常，系統(tǒng)開始運行，水泵1變頻零轉速啟動，壓力變送器開始采樣，隨著PLC的不斷掃描，系統(tǒng)不斷輸入管壓信號的采樣結果，采樣結果經(jīng)PLC送入變頻器。 如果變頻器不能正常工作，系統(tǒng)采用全自動工頻運行方式，泵1先工作在工頻狀態(tài)，壓力變送器采樣后送給PLC，看是否在控制區(qū)間內，是的話，系統(tǒng)狀態(tài)不變；否則改變狀態(tài)，超過區(qū)間上限則切除一個泵，超過下限則工頻啟動一個泵，系統(tǒng)繼續(xù)壓力信號采樣，重新建立監(jiān)控區(qū)間。如此循環(huán)掃描，直至達到控制目的。該運行方式下，水泵只有工頻運行和停止兩種工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則轉入故障處理程序。如果變頻器不能正常工作，則如上所述轉入工頻運行；如果其中一臺水泵發(fā)生故障，則切除該泵，其它泵正常運行。如果有其它報警信號(如水位不足)，則轉入報警處理程序。 系統(tǒng)硬件設計 主電路設計在硬件系統(tǒng)設計中，采用一臺變頻器連接4臺電動機，每臺電機通過一個接觸器與變頻輸出電源連接。變頻器輸入電源前面接入一個自動空氣開關，來實現(xiàn)電機、變頻器的過流過載保護接通，空氣開關的容量依據(jù)電機的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機的容量適當選擇。由于每臺電機的工作電流都在幾百安以上，因此母線電流非常大，為了顯示當前的工作電流，必須在母線的每相上都接入一個電流互感器，電流互感器和電流表相連。電流表安裝在控制柜上，可以方便地觀察電機的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機的工作狀態(tài)。 變頻器主電路電源輸入端子(R，S，T)經(jīng)過空氣開關與三相電源連接，變頻器主電路輸出端子(U，V，W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當旋轉方向和預設定不一致時，需要調換輸出端子(U，V， W)的任意兩相。一定要保證在工頻電源拖動和變頻輸出電源拖動兩種情況下電機旋向的一致性，否則在變頻/工頻的切換過程中會產(chǎn)生很大的轉換電流，致使轉換無法成功。在變頻器啟動、運行和停止操作中，必須用控制臺面板或控制柜的運行和停止鍵或者是外控端子FWD (REV)來操作，不得以主電路的通斷來進行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應的DC電抗器，變頻器的[P1，P+]端子是連接DC電抗器之用。在主電路圖中，四臺電機分別為MMMM4。接觸器KMKMKMKM9分別控制MMMM4的工頻運行；接觸器KMKMKMKM8分別控制MMMM4的變頻運行；FRFR FR FR4分別為四臺水泵電機過載保護用的熱繼電器；QF1 、QF QF QF4 、QF5分別為變頻器和四臺泵電機主電路的隔離開關。 恒壓供水主電路圖 控制電路設計在控制電路的設計中，首先要考慮弱電和強電之間的隔離問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機、閥門、接觸器的動作，都是按照PLC的程序邏輯來完成的。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。在PLC輸出端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，其目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，提高系統(tǒng)工作的可靠性。控制電路之中存在電路之間互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動循環(huán)，所以電路的互鎖是指電機之間運行的互鎖。嚴禁出現(xiàn)一臺電動機同時接在工頻電源和變頻電源的情況，同時要求變頻器始終只與一臺電動機相連。控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機當前工作狀態(tài)指示燈的設計，為了節(jié)省PLC的輸出端口，在電路中可以采用PLC輸出端子的中間繼電器的相應常開觸點的斷開和閉合來控制相應電機的指示燈的亮和熄滅，指示當前系統(tǒng)電機和閥門的工作狀態(tài)。 控制電路圖 信號檢測在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和消防信號：⑴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。為提高系統(tǒng)的可靠性，需對供水的上限壓力和下限壓力用電接點壓力表進行檢測。⑵液位信號：它反映水泵的進水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。此信號來自在安裝于水源處的小浮球式液位傳感器。⑶消防信號：它用于在系統(tǒng)得到消防報警后，供水系統(tǒng)保持消防壓力供水。通常采用手動控制。 系統(tǒng)工作過程詳細分析整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)要根據(jù)檢測到的輸入信號的狀態(tài)，按照系統(tǒng)的控制流程，通過變頻調速器和執(zhí)行元件對水泵組進行控制，實現(xiàn)恒壓供水目的。控制流程如下：系統(tǒng)上電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動調速水泵，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設定壓力的偏差調節(jié)變頻器的輸出頻率，以達到控制調速泵轉速的目的，當輸出壓力達到設定值，其供水量與用水量相平衡時，轉速才穩(wěn)定到某一定值。當用水量增加水壓減小時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，增加水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當用水量減少水壓增加時，通過壓力閉環(huán)和恒壓控制器，減小水泵的轉速到另一個新的穩(wěn)定值。當用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達到上限頻率50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達到設定壓力，并且滿足增加水泵的條件時，在變頻的控制方式下，系統(tǒng)將電機 1 水泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，1 水泵恒速運行，同時使2 水泵投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，直到水壓達到設定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，滿足增加水泵的條件，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，并有新的水泵投入并聯(lián)運行。當最后一臺水泵投入運行，變頻器輸出頻率達到上限頻率50Hz時，壓力仍未達到設定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。當用水量下降水壓升高，變頻器的輸出頻率降至下限頻率，用戶管網(wǎng)的實際壓力水壓仍高于設定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將先運行的那臺恒速水泵關掉，恢復對水壓的閉環(huán)調節(jié)，使壓力重新達到設定值。當用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。當系統(tǒng)中只有調速泵在工作，而調速泵的運行頻率已降至下限頻率時，且滿足關泵條件，此時關閉調速泵，系統(tǒng)進入靠附屬小泵進行少量補水的狀態(tài)。在這種情況下，若實際壓力低于設定壓力，則延時后開啟附屬小泵進行補水，附屬小泵開啟后，若實際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關掉附屬小泵。待實際壓力再次低于設定壓力后，重復上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達不到設定壓力，則經(jīng)過一定的延時后，關掉附屬小泵，開啟調速泵進行控制，工作過程同 4。 主要設備選取 PLC的選取根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，并且考慮到為日后的擴展提供預留點，我將選用的S7200型PLC的主模塊定為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CPU266為24點，輸入形式為＋24V直流輸入。此外，為了方便的將水位信號、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。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成A/D的轉換，標準輸入信號能夠轉換成一個字長（16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成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。EM235模塊可以針對不同的標準輸入信號，通過DIP開關進行設置。系統(tǒng)中PLC的選型包括一個CPU266主模塊，兩個EM222擴展模塊，一個EM235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。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。 變頻器的選取本系統(tǒng)中，采用富士通用變頻器FRN11P11S4CX，此為低噪聲高性能多功能變頻器，屬風機、泵用的P11S系列，～500KW，該系列有自帶操作面板。功率大于75KW以上的，有自帶直流電抗器，可以使用延伸電纜選件，可簡單地實現(xiàn)遠方操作。高性能和多功能的理想結合，動態(tài)轉矩控制，能在各種運行條件下實現(xiàn)對電動機的最佳控制，具有PG反饋更高性能的控制系統(tǒng)，新方式在線自整定系統(tǒng)，能使電機低轉速時脈動大大減小，方便使用的鍵盤面板，適應了各種環(huán)境的結構。其特點為：采用富士電機獨自開發(fā)的動態(tài)轉矩矢量控制方式，%；具有包括自整定功能在內的許多方便功能；小型、全封閉防護結構(22KW)，～400KW，機種規(guī)格齊全。P11S系列有它內在的性能以及功能，即動態(tài)轉矩矢量控制、帶PG反饋更高的性能的控制系統(tǒng)、電動機低轉速時脈動大大減小、新方式在線自整定系統(tǒng)、優(yōu)良的環(huán)境兼容性。 變送器的選取監(jiān)控技術是依靠變送器等設備來檢測信息的，根據(jù)系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集裝置，來自生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)過程參數(shù)經(jīng)過變送器測量變送后變?yōu)? ~20mA的標準儀表信號，經(jīng)電纜傳送至儀表室的PLC，經(jīng)模數(shù)轉換后變?yōu)閿?shù)字信號。在該設計中，重點用到的測量、變送裝置是壓力傳感器。力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。在本設計中將采用壓阻式壓力傳感器。 本章小節(jié)本章介紹了基于PLC和變頻器的恒壓供水自動控制系統(tǒng)的硬件設計，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行。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)水泵的流量調節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。本章的重點內容包括變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的功能設定、構成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設計。主要概括如下: ⑴變頻調速恒壓供水系統(tǒng)構成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及接觸器、控制柜等構成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機的啟動、運行與調速，PLC上接工控計算機。 ⑵控制系統(tǒng)的硬件設計含有主電路設計、控制電路設計以及主要硬件的選型與配置。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，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)。第五章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)軟件設計 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調節(jié)變頻恒壓供水系統(tǒng)的核心是恒壓控制，它是根據(jù)水壓給定值與供水管道中實際壓力值的偏差大小，來控制變頻器輸出頻率，使變頻器實時調節(jié)水泵電機的轉速以適應管路中壓力的變化。PID控制和模糊控制是目前使用的兩種主要方法。PID控制方式是現(xiàn)代工業(yè)控制中應用的最廣泛的反饋控制方式之一。[18]。 PID控制原理圖通過傳感器等檢測、變送裝置將被控變量檢測出來，并將其與設定值進行比較，若有偏差，則通過PID功能的控制作用使偏差為零。即它是使反饋量與設定值相一致的一種通用控制方式。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。在恒壓供水中常見的控制器的PID控制實現(xiàn)方法主要有兩種：。即通用PID控制器，在使用時只需要進行線路的連接和P、I、D參數(shù)及設定值的設定即可。使用離散形式的PID控制算法在可編程序控制器或（單片機）上做PID控制器。 PID控制算法及特點一、PID控制算法的一般形式PID控制器根據(jù)目標值（設定值）r(t)與反饋值(測量值)c (t)構成的控制偏差： （51）將偏差進行比例（P）、積分（I）和微分(D)運算，并經(jīng)線性組合后構成控制量，對受控對象進行控制。其控制規(guī)律為： （52）或 （53）式中：KP—調節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調節(jié)器的積分時間；Td—調節(jié)器的微分時間；e—調節(jié)器的偏差信號；δ—比例帶，它是慣用增益的倒數(shù)；u—輸出。簡單來說，控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的：：及時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。：能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。PID調節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (54)當上述控制算法公式只包含第一項時，稱為比例(P)作用，只包含第二項時