【正文】 ⑺ 工控機(jī)作為人機(jī)界面，要能夠完成較復(fù)雜的人機(jī)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(diǎn)數(shù)和內(nèi)部繼電器數(shù)，為以后的功能擴(kuò)展和系統(tǒng)升級做好準(zhǔn)備。⑼ 應(yīng)該做到系統(tǒng)無故障運(yùn)行時，基本上可以做到無人自動恒壓變頻無級別調(diào)速運(yùn)行。 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作流程的簡單介紹 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系介紹根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)定和機(jī)械結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用PLC和變頻器變頻調(diào)速兩層控制的結(jié)構(gòu)。 PLC負(fù)責(zé)按鈕、模擬信號和其他開關(guān)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(jìn)而控制水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)及整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外，PLC還負(fù)責(zé)各種異常情況的處理。而變頻器則主要是負(fù)責(zé)控制當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速的變化能跟隨用水量的變化。也就是說PLC是宏觀調(diào)控，變頻器則微觀調(diào)控，兩者緊密結(jié)合，共同完成了系統(tǒng)的變頻恒壓控制任務(wù)。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，PLC給變頻器啟動信號，轉(zhuǎn)速信號和復(fù)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(jìn)行處理，監(jiān)控變頻器的運(yùn)行。工控機(jī)則負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從而完成一些監(jiān)控工作。PLC是上位機(jī)，變頻器是下位機(jī)。 PLC、變頻器和工控機(jī)的連接 工作流程簡介系統(tǒng)開始運(yùn)行之前，應(yīng)先把管網(wǎng)壓力參數(shù)設(shè)定值SP賦給PLC、變頻器。按下全自動按鈕，系統(tǒng)開始運(yùn)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(yùn)行方式。現(xiàn)在假設(shè)變頻器工作正常，系統(tǒng)開始運(yùn)行，水泵1變頻零轉(zhuǎn)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(jié)果，采樣結(jié)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(yùn)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(nèi)，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(dá)到控制目的。該運(yùn)行方式下，水泵只有工頻運(yùn)行和停止兩種工作狀態(tài)。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則轉(zhuǎn)入故障處理程序。如果變頻器不能正常工作，則如上所述轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)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(yùn)行。如果有其它報警信號(如水位不足)，則轉(zhuǎn)入報警處理程序。 系統(tǒng)硬件設(shè)計 主電路設(shè)計在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用一臺變頻器連接4臺電動機(jī)，每臺電機(jī)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(guān)，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)、變頻器的過流過載保護(hù)接通，空氣開關(guān)的容量依據(jù)電機(jī)的額定電流來確定。所有接觸器的選擇都要依據(jù)電動機(jī)的容量適當(dāng)選擇。由于每臺電機(jī)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(dāng)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(jī)的三相工作電流，便于操作人員監(jiān)測電機(jī)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(guān)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(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向和預(yù)設(shè)定不一致時，需要調(diào)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(jī)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(zhuǎn)換電流，致使轉(zhuǎn)換無法成功。在變頻器啟動、運(yùn)行和停止操作中，必須用控制臺面板或控制柜的運(yùn)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(jìn)行。另外為了改善變頻器的功率因素，還需配置相應(yīng)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(jī)分別為MMMM4。接觸器KMKMKMKM9分別控制MMMM4的工頻運(yùn)行；接觸器KMKMKMKM8分別控制MMMM4的變頻運(yùn)行；FRFR FR FR4分別為四臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QF1 、QF QF QF4 、QF5分別為變頻器和四臺泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)。 恒壓供水主電路圖 控制電路設(shè)計在控制電路的設(shè)計中，首先要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離問題。在整個控制系統(tǒng)中，所有控制電機(jī)、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(hù)PLC設(shè)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(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的強(qiáng)電和弱電之間的隔離，保護(hù)系統(tǒng)，延長系統(tǒng)的使用壽命，提高系統(tǒng)工作的可靠性?？刂齐娐分写嬖陔娐分g互鎖的問題，由于控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動循環(huán)，所以電路的互鎖是指電機(jī)之間運(yùn)行的互鎖。嚴(yán)禁出現(xiàn)一臺電動機(jī)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(jī)相連。控制電路中還必須考慮系統(tǒng)電機(jī)當(dāng)前工作狀態(tài)指示燈的設(shè)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(yīng)常開觸點(diǎn)的斷開和閉合來控制相應(yīng)電機(jī)的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)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(diǎn)壓力表進(jìn)行檢測。⑵液位信號：它反映水泵的進(jìn)水水源是否充足。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實(shí)施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機(jī)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(xì)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(diào)速器和執(zhí)行元件對水泵組進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水目的?？刂屏鞒倘缦拢合到y(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(diào)速水泵，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實(shí)際壓力和設(shè)定壓力的偏差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以達(dá)到控制調(diào)速泵轉(zhuǎn)速的目的，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值。當(dāng)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(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值，反之，當(dāng)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(zhuǎn)速到另一個新的穩(wěn)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz 時，若此時用戶管網(wǎng)的實(shí)際壓力還未達(dá)到設(shè)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(jī) 1 水泵切換至工頻電網(wǎng)供電后，1 水泵恒速運(yùn)行，同時使2 水泵投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)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(zhuǎn)換，并有新的水泵投入并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺水泵投入運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。當(dāng)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(shí)際壓力水壓仍高于設(shè)定壓力值，并且滿足減少水泵的條件時，系統(tǒng)將先運(yùn)行的那臺恒速水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)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(zhuǎn)換，直到剩下一臺變頻泵運(yùn)行為止。當(dāng)系統(tǒng)中只有調(diào)速泵在工作，而調(diào)速泵的運(yùn)行頻率已降至下限頻率時，且滿足關(guān)泵條件，此時關(guān)閉調(diào)速泵，系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補(bǔ)水的狀態(tài)。在這種情況下，若實(shí)際壓力低于設(shè)定壓力，則延時后開啟附屬小泵進(jìn)行補(bǔ)水，附屬小泵開啟后，若實(shí)際壓力高于附屬小泵的工作壓力(設(shè)定壓力+附屬小泵啟停壓力誤差)，則關(guān)掉附屬小泵。待實(shí)際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過程。在附屬小泵開啟后，壓力達(dá)不到設(shè)定壓力，則經(jīng)過一定的延時后，關(guān)掉附屬小泵，開啟調(diào)速泵進(jìn)行控制，工作過程同 4。 主要設(shè)備選取 PLC的選取根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，并且考慮到為日后的擴(kuò)展提供預(yù)留點(diǎn)，我將選用的S7200型PLC的主模塊定為CPU266，其開關(guān)量輸出（DQ）為16點(diǎn)，輸出形式為AC220V繼電器輸出；開關(guān)量輸入CPU266為24點(diǎn)，輸入形式為＋24V直流輸入。此外，為了方便的將水位信號、電機(jī)頻率信號和同相比較信號傳輸給PLC，經(jīng)比較計算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，選擇了EM235模擬量擴(kuò)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(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(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)中PLC的選型包括一個CPU266主模塊，兩個EM222擴(kuò)展模塊，一個EM235模擬量擴(kuò)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(kuò)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(fēng)機(jī)、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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。高性能和多功能的理想結(jié)合，動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，能在各種運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)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(jī)低轉(zhuǎn)速時脈動大大減小，方便使用的鍵盤面板，適應(yīng)了各種環(huán)境的結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)為：采用富士電機(jī)獨(dú)自開發(fā)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，%；具有包括自整定功能在內(nèi)的許多方便功能；小型、全封閉防護(hù)結(jié)構(gòu)(22KW)，～400KW，機(jī)種規(guī)格齊全。P11S系列有它內(nèi)在的性能以及功能，即動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制、帶PG反饋更高的性能的控制系統(tǒng)、電動機(jī)低轉(zhuǎn)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(shù)是依靠變送器等設(shè)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(biāo)準(zhǔn)儀表信號，經(jīng)電纜傳送至儀表室的PLC，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號。在該設(shè)計中，重點(diǎn)用到的測量、變送裝置是壓力傳感器。力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)計，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動多臺水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。本章的重點(diǎn)內(nèi)容包括變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的功能設(shè)定、構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。主要概括如下: ⑴變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及接觸器、控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機(jī)的啟動、運(yùn)行與調(diào)速，PLC上接工控計算機(jī)。 ⑵控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計含有主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計以及主要硬件的選型與配置。在硬件系統(tǒng)主電路設(shè)計中，采用一臺變頻器連接4臺電動機(jī)，電機(jī)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(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調(diào)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(shí)際壓力值的偏差大小，來控制變頻器輸出頻率，使變頻器實(shí)時調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)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(yīng)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(shè)定值進(jìn)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(shè)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(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：。即通用PID控制器，在使用時只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及設(shè)定值的設(shè)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(jī)）上做PID控制器。 PID控制算法及特點(diǎn)一、PID控制算法的一般形式PID控制器根據(jù)目標(biāo)值（設(shè)定值）r(t)與反饋值(測量值)c (t)構(gòu)成的控制偏差： （51）將偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）和微分(D)運(yùn)算，并經(jīng)線性組合后構(gòu)成控制量，對受控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為： （52）或 （53）式中：KP—調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti—調(diào)節(jié)器的積分時間；Td—調(diào)節(jié)器的微分時間；e—調(diào)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)。：能反應(yīng)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(diào)節(jié)時間。PID調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： (54)當(dāng)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