【導讀】近年來,污水處理廠已成為各個城市最重要的基礎設施之一。城市,新建或擴建污水處理廠已成為當?shù)卣纳迫嗣裆钏降念^等大事。而PLC控制器以其技術成熟、通用性好、可靠性高、安裝靈活、本文主要介紹了污水處理廠自動控制系統(tǒng)的組成、功能及如何利用PLC實現(xiàn)自。動控制,并介紹了在系統(tǒng)實施中遇到的若干問題及其解決措施。

　　

【正文】 塊，具體 I/O 分配，如下表 36 所示。 表 36 模擬量輸入地址分 配 輸入地址 輸入設備 AIW0 格柵 液面差計 AIW2 PH 值測量計 模擬量輸出部分 在此控制系統(tǒng)中需要將采集回來的模擬量進行數(shù)據(jù)處理，然后，通過模擬輸出口對變頻器進行控制，進行控制其他設備的運行，如下表 37 所示。 表 37 模擬量輸出地址分配 輸出地址 輸出設備 AQW0 經(jīng) PID 運算輸出 根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設計出工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的硬件連線圖如圖 38 所示，此控制面板上的手動控制部分主要在調(diào)試系統(tǒng)時使用，調(diào)試完成后基 本處于閑置狀態(tài) 其他硬件的選型 要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要 PLC 主 機及其擴展模塊之外，還需要各種傳感器、接觸器和變頻器，各類電機等儀器設備。 電動機的選型 電動機的選型主要確定電動機的種類，電動機的型式，電動機的額定電壓，額定轉(zhuǎn)速和額定功率等，選擇電動機的基本原則如下： （ 1）在工作過程中其額定功率應得到充分利用，要求溫升高確定但不得超過的規(guī)定的允許值。 （ 2）電動機應滿足生產(chǎn)機械需要的有關機械特性的要求。保證一定負載下的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有一定的調(diào)速范圍及具有良好的啟動和制動性能。 （ 3）電動機的結構形式應滿足設計提出的安裝要求和適 應周圍的工作環(huán)境。 畢業(yè)設計（論文） 電動機種類的選用 電力拖動系統(tǒng)是應用電動機來拖動生產(chǎn)機械工作的，由于生產(chǎn)機械種類繁多，工藝要求不一，因而成為驅(qū)動電機的電動機的種類也很多，按電流種類分，有直流電動機和交流電動機，交流電動機又有異步電動機和同步電動機兩種。異步電動機又分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子，籠型又可分為普通籠型，特殊籠型和多速電動機。從電動機的機械特性，啟動性能，調(diào)速性能，點源電動機的經(jīng)濟性等方面考慮用的是三相籠型異步電動機。 電動機電壓等級的選用 ： 電動機電壓等級要與工廠的供電電壓等級一致，一般重、小型交流電動機的額定電壓為 220/380V或 380/660V,大型交流電動機的是 3000V,6000V及 10000V高壓電動機。所以選用 220/380V為最合適不過了。 電動機形式的選用 電動機的安裝方式：根據(jù)電動機安裝要求和機械轉(zhuǎn)動的要求，可選用臥式和立式。臥式電動機的轉(zhuǎn)軸安裝以后為水平位置，立式的轉(zhuǎn)軸則為垂直地面的位置。一般情況下應選臥式的， 電動機的防護方式：電動機的結構類型還應根據(jù)其周圍環(huán)境的情況來選用。按照防護方式分，電動機有開啟式，防護式，封閉式和防爆式幾種。開啟式電動機的定子兩側(cè)和端蓋上都有很大的通風口。防護式的機座下 面有通風口。封閉式電動機的機座和端蓋上均無通風孔完全是封閉的，防爆式電動機在封閉式的基礎上制成隔爆型，機殼有足夠的強度，適應于易燃易爆氣體的環(huán)境。在此設計中發(fā)電機常年呆在潮濕的環(huán)境于是要用防潮性很好的電動機為宜。所以選用的是普通型電動機加防潮處理的電動機。 電動機額定功率的選用 額定功率的選用必須考慮電動機的發(fā)熱，過載能力及啟動能力三個方面 我們工藝要求的發(fā)電機需要轉(zhuǎn)動的排污泵的功率為 55KW,所以發(fā)電機的負載功率 PL=55KW 根據(jù)負載功率，預選電動機的額定功率為 PL. 在該工業(yè) 污水處理系統(tǒng)中需要用到許多電動機， Y2 系列三相異步電機 是專為歐洲市場設計的三相異步電動機、電機出線盒置于電機機殼頂部、整機結構緊湊、外形美觀大方，安裝尺寸符合 IEC 標準，具有高效、節(jié)能、起動轉(zhuǎn)矩大，畢業(yè)設計（論文） 使用維護方便等特點。 主要性能有： 絕緣等級 ： F； 防護等級： IP54 或 IP55； 電壓： 380V或 415V； 頻率： 50Hz 或 60Hz； 冷卻方式： IC411。 Y2 系列電動機有兩種設計，一種是適用于一般機械配套和出口需要，在輕載時有較高效率，在實際運行中有較佳節(jié)能效果，且具有較高堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，此設計稱為 Y2Y 系列。中心高 63～ 355mm，功率從 ~315kW。電動機符合JB/ Y2 系列 (1P54)三相異步電動機（機座號 63～ 355）技術條件。 型號含義：如 Y2200L12Y： “Y2”表示異步電動機第二次改型設計，“ 200”表示中心高，“ L”表示機座長短號，“ 1”表示鐵心長度序號，“ 2”表示極數(shù)，“ Y”表示第一種設計（可省略）。第 2 種設計是滿載時有較高效率，更適用于長期運行和負載率較高的使用場合，如水泵、風機配套，此設計稱為 Y2E 系列，中心高 80～280mm，功率從 ～ 90kW。電動機 符合 JB/ Y2 系列 (1P54)三相異步電動機（機座號 80～ 280）技術條件。 型號含義：如 Y2200L26E： “ Y2”表示異步電動機第二次改型設計，“ 200”表示中心高，“ L”表示機座長短號，“ 2”表示鐵心長度序號，“ 6”表示極數(shù)，“ E”表示第二種設計。 根據(jù)上述分析，選擇 Y2280M6 即可滿足要求。 接觸器是一種自動控制電器，它可以用來頻繁的遠距離接通或斷開交直流電路，它不同于刀開關類的手動切換電器，因為它有手動切換電器所沒有的遠距離操作功能，同 時又具備手動切換電器所沒有的失電壓保護功能。另外接觸器也不同于斷路器 在控制系統(tǒng)中 應用 ， 因為它有一定的過載能力，但卻不能切斷短路電流，也不具備過載保護能力。控制交流籠型異步電動機是交流接觸器最主要的用途之一，在我們這個設計里 所有設備是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值進行動作的，因此需要 PLC 根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的 啟停，在此用到了大量接觸器：如格柵機接觸器、清污機接觸器、排污泵接觸器、潛水攪拌機接觸器 等。 在接觸器的選用中又可分為交流接觸器的選用和直流接觸器的選用，而在 交流接觸器的選用當中又分為一般性任務，重要任務和特種任務，在此設計中用到的各類泵，電機及攪拌機等屬于一般任務，適合選用施耐德 SDLC10911 接觸器， 其額定電壓 220V,額定電流 9A。其特點有： 高標準：符合 IEC6094741 和 標準。長壽命：機械壽命高達 2020畢業(yè)設計（論文） 萬次；電壽命高達 200 萬次。強適應性： “ TH” 防護處理，可以在濕熱的環(huán)境中使用。寬電壓：線圈控制電壓在 70%120%Uc 之間波動，不影響產(chǎn)品正常工作。強通用性：具有 50Hz60Hz 通用線圈，可以全世界通用。模塊化：產(chǎn)品本體上可以附加輔助觸頭，通電 /斷電延時觸頭，機械閉鎖等模塊。也可以很方便地組合成可逆接觸器、星 三角起動器。 時間繼電器選用 當繼電器的感受部分接受外界信號后，經(jīng)過一段時間使執(zhí)行部分動作，這類繼電器稱為時間繼電器（ time delay relay）。按其動作原理可分為電磁式，空氣阻尼式，電動式，與電子式；按其延時方式可分為通電延時型和斷電延時型兩種。選用時間繼電器要考慮下面三種因素： （ 1） 根據(jù)使用場 合和要求來選擇時間繼電器類型。凡是對延時精度要求不高的場合， 宜選用價格較低的空氣阻尼是時間繼電器。對 延時精度要求較高的場合宜選用電動式或晶體管式時間繼電器。電源頻率波動大的場合，不宜采用電動式，溫度變化較大的場合，不宜采用空氣阻尼式或晶體管式。 （ 2）根據(jù)控制電路要求確定延時觸點的延時方式，延時方式有通電延時和斷電延時兩大類，延時時間及瞬時動作觸點的數(shù)目也要根據(jù)控制電路的要求來確定。 （ 3）根據(jù)控制電路確定電壓等級，時間繼電器線圈電壓等級要和控制電路的電壓相匹配。 本設計使用 JS7—2A此代號的意思是 J 說的意思是繼電器， S 的意思是時間，7 是設計序號， 2 是基本規(guī)格代號， A 是結構設計改進代號， JS7—2A 型時 間繼電器其延時范圍是 60S，觸電點額定電流 5A，觸電額定電壓 380V，屬通電延時型有一個動和一個動斷觸點。 變頻器的應用 變頻器簡介 變頻器的功能是將頻率固定的 (通常為 50Hz)的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的三相交流電源。變頻器的輸入端接至頻率固定的三相交流電，輸出端輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電。 變頻器主要分為間接變頻和直接變頻兩大類，而間接變頻又根據(jù)中間直流環(huán)畢業(yè)設計（論文） 節(jié)的主要儲能元件的不同可分為電壓型和電流型。電壓型變頻器主回路由相控整流器，中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三個部分組成。 相控整流器 將交流電壓整流為可控的直流電壓，經(jīng)濾波由電容 Cd 輸出直流電壓 Vd，逆變器將直流 Ud 變換成頻率可調(diào)的交流電源供給電機進行變頻調(diào)速。由于中間直流環(huán)節(jié)是 Cd 低阻抗輸出相當于是恒壓源，故稱電壓型。 電流型交 直 交變頻器與電壓型變頻器的差別僅在于中間直流環(huán)節(jié)中的儲能元件用的是電感而不是電容。由于中間直流環(huán)節(jié)是高阻抗輸出相當于電流源，故稱電流型。 變頻與變壓 (VVVF)原理 當在實際利用變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的過程中，當頻率 f 下降時，定子繞組的反電動勢 E有所下降，定子電流增大，但是轉(zhuǎn)子側(cè)的負載并未增加，故轉(zhuǎn)子段電流不變， 根據(jù)電流平衡方程可知，勵磁電流比增大，因而磁通φ m增大。φ m增加將導致鐵芯的飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望的結果，因此希望φ m 可以保持基本不變。要實現(xiàn)這個目標，只要在變頻過程中使變頻器輸出電壓 Ul/f=const，則磁通φ m可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，常用 VVVF表示。 VVVF 實施的基本方法包括：脈幅調(diào)制 (PAM)和脈寬調(diào)制 (PWM)。 （ 1）脈幅調(diào)制 (PAM) 實現(xiàn)方法就是調(diào)節(jié)頻率的同時，也改變直流電壓的振幅值。 PAM 需要同時調(diào)節(jié)兩個部分：整流部分和逆變部分，兩者之間還必須滿足 一定的關系，故控制電路比較復雜，因此比較少用。 （ 2）脈寬調(diào)制 (PWM) 實現(xiàn)方法就是在每半個周期內(nèi)，把輸出電壓的波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為 t1，每個脈沖間的間隔寬度為 t2，則脈沖的占空比 Υ=tl/(t2+tl)。這時電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，不改變直流電壓的幅值，而是改變輸出電壓脈沖的占空比，同樣可以實現(xiàn)變頻也變壓的效果。 PWM只需控制逆變電路便可實現(xiàn)，與 PAM 相比電路簡化了許多，因此在變頻調(diào)速中比較常用。 變頻調(diào)速的基本原理 畢業(yè)設計（論文） （ 1）異步電動機的等效變換 X 1 R 2R 1 X 2R mI OX mR 1U 1R LU 2 圖 異步電動機的等效變換 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式： 2212 2 21 1 2 1 232 [ ( ) ( ) ]m p s r UT f s r r s x x?? ? ? ? 其中 ： P 為旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)， S 為轉(zhuǎn)差率。 （ 2）變頻調(diào)速的原理 異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。異步電動機的定子主磁通是以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場實際是三個交變磁場合成的結果。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n0=60f/p，其中 f 是電流頻率， P 是旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n1必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速 n0 (即所謂的“異步” )。兩者之間的差異可由轉(zhuǎn)差率表示，轉(zhuǎn)差率 s=( n0 n1)/n0根據(jù) n0=60f/p 可知，當頻率 f連續(xù)可調(diào)時，電動機的同步轉(zhuǎn)速 n0 也連續(xù)可調(diào)，而異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n1，總是比同步轉(zhuǎn)速略低一點，所以當 n1連續(xù)可調(diào)時 ， n1也是連續(xù)可調(diào)。 設變頻后的頻率為 fx，電壓為 Ux，電動機的額定相電壓和頻率為 UN 和 fN，則有： xf ＝ fk Nf （ ） xU ＝ uk NU （ ） 其中 kf 為頻率可調(diào)比， ku 為電壓可調(diào)比。將上述兩個公式代入異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式可得變頻后的轉(zhuǎn)矩公式： （ ） 畢業(yè)設計（論文） 22212 2 21 2 1 232 [ ( ) ( ) ]um f N x x fp s r k UT k f s r r s k x x?? ? ? ? 其中 ： sx為頻率為 fx時的轉(zhuǎn)差 率。 在變頻器正常工作情況下，即 kf＝ km1 時的機械特性如圖 所示。 nn 1n 2n 3n 4f 3f 4f 2f 1of 1 f 2 f 3 f 4T k 4 T k 3 T k 2 T k 1 T M 圖 kf＝ km1 時的機械特性 由圖 42 可知隨著 f 的下降，臨界轉(zhuǎn)矩 Tkx逐漸減少，電動機的帶負載能力也隨之下降。這無疑給變頻調(diào)速帶來了瑕點。而針對這種想象一般要采取電壓補償法。新系列的變頻器一般都提供了設置自動轉(zhuǎn)矩補償功能。變頻器可以根據(jù)電流的大小自動地決定補償?shù)某潭取? 變頻器選型 該系統(tǒng)選用的變頻器是西門子 MM430 變頻器，具有多個繼電器輸出，具有多個模擬量輸 出（ 0~20 mA）， 2 個模擬輸入： AIN1： 0~10 V， 0~20 mA 和 – 10 至+10 V； AIN2： 0~10 V， 0~20 mA， 6 個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換為 NPN/PNP 接線。它是一種風機水泵負載專用變頻器，能適用于各種變速驅(qū)動系統(tǒng)，尤其是適用于工業(yè)部門的水泵和風機。該型變頻器，具有能源