【導讀】科學研究的思想，樹立實事求是、嚴肅認真的科學工作態(tài)度。力、表現(xiàn)出的創(chuàng)造性和綜合應用能力、勤勉態(tài)度等。（說明書）中較成功的部分。（說明書）時遇到的困難和問題。最后對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計進行了詳細的介紹?，F(xiàn)通過MCGS進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h程網(wǎng)絡(luò)巡回監(jiān)控系統(tǒng)。具體講述了系統(tǒng)的總體設(shè)計與軟。件的實現(xiàn)，并對系統(tǒng)采取的可靠性措施進行了說明。穩(wěn)定可靠的運行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實時。性，極大地提高了供水的質(zhì)量，并且節(jié)省了人力，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

　　

【正文】 可編程邏輯控制器，采用的是計算機的設(shè)計思想，最初主要用于順序控制，只能進行邏輯運算。隨著微電子技術(shù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動化控制愈來愈高的需求， PLC無論在功能上、速度上、智能化模塊以及聯(lián)網(wǎng)通信上，都有很大的提高?，F(xiàn)在的 PLC已不只是開關(guān)量控制，其功能遠遠超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過程控制以及遠程通信等強大功能。美國電氣制造商協(xié)會 (NEMA)將其正式命名為可編程控制器 (Programmable Controller)，簡稱 PC，但是為 了 和個人計算機 (Persona1 Computer)的簡稱 PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡稱為 PLC。 事實上與所有的器件一樣， PLC本身也有其局限性，它無法向操作者顯示動態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無法進行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當系統(tǒng)工藝改變時，無法方便、快速地改變相關(guān)參數(shù)、配方。因此，在現(xiàn)今的稍微復雜一些的控制系統(tǒng)中， PLC通常與工業(yè)控制計算機配合使用，實現(xiàn)完整的控制功能。 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 15 PLC 的特點 現(xiàn)代可編程控制器不僅能實現(xiàn)對開關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學運算、數(shù)學處理、運動控制、模擬量 PID 控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。在發(fā)達的工業(yè) 化國家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門，其應用已擴展到樓宇自動化、家庭自動化、商業(yè)、公用事業(yè)、測試設(shè)備和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點 ： 1） 編程方法簡單易學 2） 功能強，性能價格比高 3） 硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強 4） 無觸點免配線，可靠性高，抗干擾能力強 5） 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少 6） 維修工作量小，維修方便 7） 體積小，能耗低 。 PLC 的工作過程 圖 PLC的掃描工作過程 PLC是在 系統(tǒng)軟件的控制和指揮下，采用循環(huán)順序掃描的工 作方式，其工作過程就是 程序的執(zhí)行過程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，如 圖 。 PLC在 I/O處理方面必須遵守的規(guī)則如下： ① 輸入映像寄存器的數(shù)據(jù)，取決于輸入端子板在上一個刷新時間的狀態(tài)； ② 程序如何執(zhí)行，取決于用戶所編的程序和輸入映像寄存器、元件映像寄存器中存放的所需軟元件的狀態(tài)； ③ 輸出映像寄存器（包含在元件映像寄存器中）的狀態(tài)，由輸出指令的執(zhí)行結(jié)果決定。 ④ 輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)，由上一個刷新時間輸出映像寄存器的狀態(tài)決定； ⑤ 輸出端子上的輸出狀態(tài)，由輸出鎖存器中的狀態(tài)決定。 PLC 的選型 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 16 水泵 M M2， M3可變頻運行，也可工頻運行，需 PLC的 6個輸出 點 ，變頻器的運行與關(guān)斷由 PLC的 1個輸出 點 ， 控制變頻器使電機正轉(zhuǎn)需 1個輸出信號控制， 報警器的控制需要 1個輸出點， 輸出點數(shù)量一共 9個。 控制起動和停止需要 2個輸入點， 變頻器極限頻率的檢測信號占用 PLC2個輸 入 點， 系統(tǒng)自動 /手動起動需 1輸入點，手動控制電機的工頻 /變頻運行需 6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需 1個輸入點，檢測電機是否過載需 3個輸入點，共需 15個輸入點。 系統(tǒng)所需的輸入／輸出點數(shù)量共為 24個點 。 本系統(tǒng)選用FXos30MRD型 PLC。 PLC 的接線 圖 PLC的接線圖 Y0接 KM0控制 M1的 變 頻運行， Y1接 KM1控制 M1的 工 頻運行 ； Y2接 KM2控制 M2的變頻運行， Y3接 KM3控制 M2的工頻運行； Y4接 KM4控制 M3的變頻運行， Y5接 KM5控制 M3的工頻運行 。 X0接起動按鈕， X1接停止按鈕， X2接變頻器的 FU接口， X3接變頻器的 OL接口，X4接 M1的熱繼電器， X5接 M2的熱繼電器， X6接 M3的熱繼電器。 為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設(shè)計了電氣互鎖 。 在同 時 控制 M1電動機的兩個接觸器 KM KM0線圈中分別串入了對方的常閉觸頭形成電氣互鎖 。 頻率檢測的上 /下限信號分別通過 OL和 FU輸出至 PLC的 X2與 X3輸入端作為 PLC增泵減泵控制信號 變頻器 變頻器的構(gòu)成 通常由變頻器主電路（ IGBT、 BJT、或 GTO 作逆變元件）給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 17 算還應包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電 流引起的損失外，還應保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等 圖 變頻器的構(gòu)成 給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱為主電路。圖 所示是典型的電壓逆變器的例子，其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加“制動回路”。 ① 整流器 最近大量使用的是二極管的交流器，圖 所示，它把工頻電源變換為直流電源?？捎脙山M晶體管交流器構(gòu)成可逆變流 器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。 ② 平波回路 在整流器整流后的直流電壓中，含有電源 6 倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電壓吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。 ③ 逆變器 同整流器相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所需要頻率的交流功率，根據(jù)PWM 控制信號使 6 個開關(guān)器件導通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。 ④ 制動回路 異步電動機在再生制動區(qū)域使用時（轉(zhuǎn)差率為負），再生能量儲存 于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說來，由機械系統(tǒng)（含電動機）慣量積蓄的能量比電容能儲存的能量大，需要快速制動時，可用由逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動回路（開關(guān)和電阻）把再生功率消耗掉，以免直流電路電壓上升。 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 18 圖 典型的電壓型逆變器一例 給異步 電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。如圖 所示，控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓 /電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號 進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。 在圖 點劃線內(nèi)，僅以控制電路 A 部分構(gòu)成控制電路時，無速度檢測電路，為開環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測電路，即增加了速度指令，可以對異步電動機的速度進行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： ① 運算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 ② 電壓 /電流檢測電路 與主電路電位隔離，檢測電壓、電流等。 ③ 驅(qū)動電路 為驅(qū)動主電路 器件的電路。它使主電路器件導通、關(guān)斷。 ④ 速度檢測電路 以裝 在異步電動機軸上的速度檢測器（ TG、 PLG 等）的信號為速度信號 送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。 ⑤ 保護電路 檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 保護回路主要包括： （ 1） 逆變器保護 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 19 1） 瞬時過電壓保護。由于逆變器負載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉(zhuǎn)。 2） 過載保護。逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流 通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉(zhuǎn)。恰當?shù)谋Ｗo需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的 GD2（慣性）過大或因負載過大使電動機堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。 3） 再生過電壓保護。采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值?？梢圆扇⊥Ｖ鼓孀兤鬟\轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。 4） 瞬時停電保護。對于數(shù)毫秒以內(nèi)的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在 10ms 以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變 器停止運轉(zhuǎn)。 5） 接地過電流保護。逆變器負載側(cè)接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。 6） 冷卻風機異常。有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。 （ 2） 異步電動機的保護 1） 過載保護。過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉(zhuǎn)的過熱時，在異步電動機內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。 2） 超頻（ 超速）保護。逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉(zhuǎn)。 （ 3）其他保護 1） 防止失速過電流。急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉(zhuǎn)中的過電流，也進行同樣的控制。 2） 防止失速再生過電壓。減速時產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。 變頻器的特點 變頻器具有過壓、 欠壓、過流、過載、短路、失速等自動保護功能。能實現(xiàn)電機軟起動，減小電氣和機械沖擊噪音，延長設(shè)備使用壽命。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個特點 : 1． 節(jié)能 ： 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達 35%— 60% ， 這一特點已被廣大用戶所認識并帶來效益 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 20 2． 占地面積小，投人少，效率高 ： 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊占地面積少維護方便維護費用低投資省安裝快如僅供幾棟居民樓生活用水的小型供水設(shè)備在樓梯間樓梯下幾平方米的地方即可安裝 3． 配置靈活，功能齊全，自動化程度高。 4． 由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減 少了原有供水方式的二次污染 ， 大大降低水質(zhì)污染的可能性 ： 眾所周知南方氣候炎熱潮濕細菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲必須定期清洗改用變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備后只需一個低位水箱原來也有將水質(zhì)污染降到最低限度 。 5． 通過通信控制，可以實現(xiàn)無人值守，節(jié)省了人力物力 變頻器的選型 根據(jù)設(shè)計的要求， 本系統(tǒng)選用 FRA540系列 變頻器 ，如下圖所示： 圖 FRA540的管腳說明 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 21 變頻器的接線 管腳 STF接 PLC的 Y7管腳，控制電機的正轉(zhuǎn) 。 X2接變頻器的 FU接口， X3接變頻器的 OL接口。 頻率檢測的上 /下限信號分別通過 OL和 FU輸出至 PLC的 X2與 X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號 。 圖 PID 調(diào)節(jié)器 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。為了消除殘留偏差，一般采用增加 I動作的 PI控制。用 PI控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來擾動等引起的偏差。但是， I動作過強時，對快速變化偏差響應遲緩。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用 P動作控制。 對于 PD控制，發(fā)生偏差時，很快產(chǎn)生比單獨 D動作還要大的操 作量，以此來抑制偏差的增加。偏差小時， P動作的作用減小?？刂茖ο蠛蟹e分元件的負載場合，僅 P動作控制，有時由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動作用的負載。 利用 I動作消除偏差作用和用 D動作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動作就構(gòu)成了 PID控制，本系統(tǒng)就是采用了這種方式。采用 PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng) (即實時性 要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié) )效果比較好 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 22 圖 PID 控制框圖 通過對被控制對象的傳感器等檢測控制量 (反饋量 )，將其與目標值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進行比較。若有偏差，則通過此功能的控制動作使偏差為零。也