【導(dǎo)讀】科學(xué)研究的思想，樹(shù)立實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)工作態(tài)度。力、表現(xiàn)出的創(chuàng)造性和綜合應(yīng)用能力、勤勉態(tài)度等。（說(shuō)明書(shū)）中較成功的部分。（說(shuō)明書(shū)）時(shí)遇到的困難和問(wèn)題。最后對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。現(xiàn)通過(guò)MCGS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)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(jì)與軟。件的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)系統(tǒng)采取的可靠性措施進(jìn)行了說(shuō)明。穩(wěn)定可靠的運(yùn)行效果和良好的節(jié)能效果。經(jīng)實(shí)踐證明該系統(tǒng)具有高度的可靠性和實(shí)時(shí)。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(jì)效益和社會(huì)效益。

　　

【正文】 可編程邏輯控制器，采用的是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。隨著微電子技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)自動(dòng)化控制愈來(lái)愈高的需求， PLC無(wú)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。現(xiàn)在的 PLC已不只是開(kāi)關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍，具備了模擬量控制、過(guò)程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì) (NEMA)將其正式命名為可編程控制器 (Programmable Controller)，簡(jiǎn)稱(chēng) PC，但是為 了 和個(gè)人計(jì)算機(jī) (Persona1 Computer)的簡(jiǎn)稱(chēng) PC相區(qū)別，人們常常把可編程控制器仍簡(jiǎn)稱(chēng)為 PLC。 事實(shí)上與所有的器件一樣， PLC本身也有其局限性，它無(wú)法向操作者顯示動(dòng)態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無(wú)法進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工藝改變時(shí)，無(wú)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(fù)雜一些的控制系統(tǒng)中， PLC通常與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配合使用，實(shí)現(xiàn)完整的控制功能。 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 PLC 的特點(diǎn) 現(xiàn)代可編程控制器不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)處理、運(yùn)動(dòng)控制、模擬量 PID 控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。在發(fā)達(dá)的工業(yè) 化國(guó)家，可編程控制器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門(mén)，其應(yīng)用已擴(kuò)展到樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、商業(yè)、公用事業(yè)、測(cè)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(diǎn) ： 1） 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué) 2） 功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高 3） 硬件配套齊全，用戶(hù)使用方便，適應(yīng)性強(qiáng) 4） 無(wú)觸點(diǎn)免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 5） 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(guò)程 圖 PLC的掃描工作過(guò)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(guò)程就是 程序的執(zhí)行過(guò)程，它分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)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(gè)刷新時(shí)間的狀態(tài)； ② 程序如何執(zhí)行，取決于用戶(hù)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(gè)刷新時(shí)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(jì) 16 水泵 M M2， M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需 PLC的 6個(gè)輸出 點(diǎn) ，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由 PLC的 1個(gè)輸出 點(diǎn) ， 控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需 1個(gè)輸出信號(hào)控制， 報(bào)警器的控制需要 1個(gè)輸出點(diǎn)， 輸出點(diǎn)數(shù)量一共 9個(gè)。 控制起動(dòng)和停止需要 2個(gè)輸入點(diǎn)， 變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用 PLC2個(gè)輸 入 點(diǎn)， 系統(tǒng)自動(dòng) /手動(dòng)起動(dòng)需 1輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機(jī)的工頻 /變頻運(yùn)行需 6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需 1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測(cè)電機(jī)是否過(guò)載需 3個(gè)輸入點(diǎn)，共需 15個(gè)輸入點(diǎn)。 系統(tǒng)所需的輸入／輸出點(diǎn)數(shù)量共為 24個(gè)點(diǎn) 。 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(yùn)行， Y1接 KM1控制 M1的 工 頻運(yùn)行 ； Y2接 KM2控制 M2的變頻運(yùn)行， Y3接 KM3控制 M2的工頻運(yùn)行； Y4接 KM4控制 M3的變頻運(yùn)行， Y5接 KM5控制 M3的工頻運(yùn)行 。 X0接起動(dòng)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(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖 。 在同 時(shí) 控制 M1電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器 KM KM0線圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖 。 頻率檢測(cè)的上 /下限信號(hào)分別通過(guò) 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(hào) 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?cè)┙o異步電動(dòng)機(jī)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(jìn)行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運(yùn)轉(zhuǎn)指令進(jìn)行運(yùn)算獲得。對(duì)于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn) 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過(guò)電壓、過(guò)電 流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等 圖 變頻器的構(gòu)成 給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，稱(chēng)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(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)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(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，有時(shí)要附加“制動(dòng)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(jìn)行再生運(yùn)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(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電壓吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，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(jiǎn)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(hào)使 6 個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。 ④ 制動(dòng)回路 異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量?jī)?chǔ)存 于平波回路電容器中，使直流電壓升高。一般說(shuō)來(lái)，由機(jī)械系統(tǒng)（含電動(dòng)機(jī)）慣量積蓄的能量比電容能儲(chǔ)存的能量大，需要快速制動(dòng)時(shí)，可用由逆變流器向電源反饋或設(shè)置制動(dòng)回路（開(kāi)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(jì) 18 圖 典型的電壓型逆變器一例 給異步 電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱(chēng)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(yùn)算電路”，主電路的“電壓 /電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào) 進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”。 在圖 點(diǎn)劃線內(nèi)，僅以控制電路 A 部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無(wú)速度檢測(cè)電路，為開(kāi)環(huán)控制。在控制電路 B 部分增加了速度檢測(cè)電路，即增加了速度指令，可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制更精確的閉環(huán)控制。 控制電路主要包括： ① 運(yùn)算電路 將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、功率。 ② 電壓 /電流檢測(cè)電路 與主電路電位隔離，檢測(cè)電壓、電流等。 ③ 驅(qū)動(dòng)電路 為驅(qū)動(dòng)主電路 器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 ④ 速度檢測(cè)電路 以裝 在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（ TG、 PLG 等）的信號(hào)為速度信號(hào) 送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 ⑤ 保護(hù)電路 檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過(guò)載或過(guò)壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。 保護(hù)回路主要包括： （ 1） 逆變器保護(hù) 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 1） 瞬時(shí)過(guò)電壓保護(hù)。由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過(guò)逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過(guò)容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。交流器的輸出電流達(dá)到異常值，也同樣停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。 2） 過(guò)載保護(hù)。逆變器輸出電流超過(guò)額定值，且持續(xù)流 通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)需要反時(shí)限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護(hù)（使用電子電路）。過(guò)負(fù)載是由于負(fù)載的 GD2（慣性）過(guò)大或因負(fù)載過(guò)大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。 3） 再生過(guò)電壓保護(hù)。采用逆變器使電動(dòng)機(jī)快速減速時(shí)，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時(shí)超過(guò)容許值。可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過(guò)電壓。 4） 瞬時(shí)停電保護(hù)。對(duì)于數(shù)毫秒以?xún)?nèi)的瞬時(shí)停電，控制電路工作正常。但瞬時(shí)停電時(shí)間在 10ms 以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變 器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 5） 接地過(guò)電流保護(hù)。逆變器負(fù)載側(cè)接地時(shí)，為了保護(hù)逆變器，有時(shí)要有接地過(guò)電流保護(hù)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(fēng)機(jī)異常。有冷卻風(fēng)機(jī)的裝置，但風(fēng)機(jī)異常時(shí)裝置內(nèi)溫度將上升，因此采用風(fēng)機(jī)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(dòng)機(jī)的保護(hù) 1） 過(guò)載保護(hù)。過(guò)載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)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(hù)來(lái)檢出過(guò)熱。動(dòng)作頻繁時(shí)可以考慮減輕電動(dòng)機(jī)負(fù)載、增加電動(dòng)機(jī)及逆變器容量等。 2） 超頻（ 超速）保護(hù)。逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。 （ 3）其他保護(hù) 1） 防止失速過(guò)電流。急加速時(shí)，如果異步電動(dòng)機(jī)跟蹤遲緩，則過(guò)電流保護(hù)電路動(dòng)作，運(yùn)轉(zhuǎn)就不能繼續(xù)進(jìn)行（失速）。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對(duì)于恒速運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)電流，也進(jìn)行同樣的控制。 2） 防止失速再生過(guò)電壓。減速時(shí)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(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過(guò)電壓。 變頻器的特點(diǎn) 變頻器具有過(guò)壓、 欠壓、過(guò)流、過(guò)載、短路、失速等自動(dòng)保護(hù)功能。能實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，減小電氣和機(jī)械沖擊噪音，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn) : 1． 節(jié)能 ： 變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備使整個(gè)供水系統(tǒng)始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)節(jié)電率可達(dá) 35%— 60% ， 這一特點(diǎn)已被廣大用戶(hù)所認(rèn)識(shí)并帶來(lái)效益 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hù)方便維護(hù)費(fèi)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(dòng)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(xì)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(chóng)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(gè)低位水箱原來(lái)也有將水質(zhì)污染降到最低限度 。 5． 通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)省了人力物力 變頻器的選型 根據(jù)設(shè)計(jì)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(shuō)明 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 變頻器的接線 管腳 STF接 PLC的 Y7管腳，控制電機(jī)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(cè)的上 /下限信號(hào)分別通過(guò) 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(hào) 。 圖 PID 調(diào)節(jié)器 僅用 P動(dòng)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(dòng)作的 PI控制。用 PI控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來(lái)擾動(dòng)等引起的偏差。但是， I動(dòng)作過(guò)強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)可以單獨(dú)使用 P動(dòng)作控制。 對(duì)于 PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú) D動(dòng)作還要大的操 作量，以此來(lái)抑制偏差的增加。偏差小時(shí)， P動(dòng)作的作用減小?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅 P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。在該場(chǎng)合，為使 P動(dòng)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(guò)程本身沒(méi)有制動(dòng)作用的負(fù)載。 利用 I動(dòng)作消除偏差作用和用 D動(dòng)作抑制振蕩作用，在結(jié)合 P動(dòng)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(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應(yīng)需要一定時(shí)間的負(fù)載系統(tǒng) (即實(shí)時(shí)性 要求不高，工業(yè)上的過(guò)程控制系統(tǒng)一般都是此類(lèi)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(jì) 22 圖 PID 控制框圖 通過(guò)對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量 (反饋量 )，將其與目標(biāo)值 (溫度、流量、壓力等設(shè)定值 )進(jìn)行比較。若有偏差，則通過(guò)此功能的控制動(dòng)作使偏差為零。也