【正文】 (2) 增、減泵判斷和相應(yīng)操作程序 當(dāng) PID調(diào)解結(jié)果大于等于變頻運(yùn)行上限頻率（或小于等于變頻運(yùn)行下限頻率）且水泵。系統(tǒng)進(jìn)行初始化是在主程序中通過調(diào)用子程序來是實(shí)現(xiàn)的。 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) PLC 主程序主要由系統(tǒng)初始化程序、水泵電機(jī)起動(dòng)程序、水泵電機(jī)變頻 /工頻切換程序、水泵電機(jī)換機(jī)程序、模擬量 (壓力、頻率 )比較計(jì)算程序和報(bào)警程序等構(gòu)成。功能塊圖 (FWD)的圖形結(jié)構(gòu)與數(shù)字電路的結(jié)構(gòu)極為相似，功能塊圖中每個(gè)模塊有輸入和輸出端，輸出和輸 入端的函數(shù)關(guān)系使用與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，模塊之間的連接方式與電路的連接方式基本相同。語句表 (STL)語言類似于計(jì)算機(jī)的匯編語言，特別適合于來自計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的工程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 27 人員，它使用指令助記符創(chuàng)建用戶程序，屬于面向機(jī)器硬件的語言。 PLC 程序設(shè)計(jì) PLC 控制程序采用 SIEMENS 公司提供的 STEP 7MicroWINV40 編程軟件開發(fā)。白天、夜間模式的給定壓力值不同，兩個(gè)恒壓值是采用數(shù)字方式直接在程序中設(shè)定的。利用定時(shí)器中 斷功能實(shí)現(xiàn) PID 控制的定時(shí)采樣及輸出控制。 (3) 程序的結(jié)構(gòu)及程序功能的實(shí)現(xiàn) 由于模擬量單元及 PID 調(diào)節(jié)都需要編制初始化及中斷程序，本程序可分為三部分：主程序、子程序和中斷程序。具體的操作是：將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻器從變頻器上切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。 (2) 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)均為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組泵站泵組的投運(yùn)要有個(gè)管理規(guī)范。這一功能可通過比較指令實(shí)現(xiàn)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 26 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析 硬件連接確定之后，系統(tǒng)的控制功能主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合泵站的控制要求，對泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下： (1) 由“恒壓”要求出發(fā)的工作泵組數(shù)量管理 為了恒定水壓，在 水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)水泵工作不能滿足恒壓要求時(shí)，需啟動(dòng)第二臺(tái)水泵。C P U 2 2 6 C N2RS485MV0M0地L+RAA+I0BB+RBADD+RDCC+RC偏移配置增益E M 2 3 5I 0 I 1 I 2Q 0 Q 1S A 1窗 口比 較 器液 位變 送 器水 位 上 下限 信 號(hào)S US L H LS B 74 6 8 1 0 1 2 1 4 2 42 22 01 81 6 2N 1＋ －壓 力 變 送 器 輸出 壓 力 信 號(hào)輸 入 變 頻 器圖 PLC及擴(kuò)展模塊外圍接線圖 線情況。 圖 只是簡單的 表明 PLC 及擴(kuò)展模塊的外圍接線情況，并不是嚴(yán)格意義上的外圍接 1M0.00.11.00.70.60.50.40.30.22.72.62.52.42.32.22.12.01.71.62M1.51.41.31.21.11L0.0L+M1.51.41.31.21.13L1.00.70.60.52L0.40.30.20.1地1.71.6L1N。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有 11 個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)和 1 個(gè)模擬量輸出信號(hào)。 本變頻恒壓供水系統(tǒng)有五個(gè)輸入量，其中包括 4個(gè)數(shù)字量和 1個(gè)模擬量。 根據(jù)以上控制要求統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)的名稱、代碼及地址編號(hào)如表 所示。 (4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急 或檢修時(shí)臨時(shí)使用。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長時(shí)間工作的情況下。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 24 間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。 本系統(tǒng)在手動(dòng) /自動(dòng)控制下的運(yùn)行過程如下： HL8 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，白天供水模式指示燈 HL9 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，報(bào)警電鈴 HA響起；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，中間繼電器 KA 的線圈得電，常開觸點(diǎn) KA 閉合使得變頻器的頻率復(fù)位；處于自動(dòng)控制狀態(tài)下，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈 HL10 一直點(diǎn)亮。同理， 3水泵的控制原理也是如此。 輸出 1水泵工頻運(yùn) 行信號(hào)， 輸出 1水泵變頻運(yùn)行信號(hào)，當(dāng) 輸出 1 時(shí)， KM1 線圈得電， 1水泵工頻運(yùn)行指示燈 HL1 點(diǎn)亮，同時(shí) KM1 的常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn) KM KM2 的電氣互鎖。 （ 2）自動(dòng)控制：在正常情況下變頻恒壓供水系統(tǒng)工作在自動(dòng)狀態(tài)下。只有當(dāng) SB2 按下時(shí)才會(huì)切斷電路， KM1 線圈失電，電機(jī) M1 停止運(yùn)行。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 22 單刀雙擲開關(guān) SA 打至 1 端時(shí)開啟手動(dòng)控制模式，此時(shí)可以通 過開關(guān)分別控制三臺(tái)水泵電機(jī)在工頻下的運(yùn)行和停止。圖中的 ~及 ~ 為 PLC的輸出繼電器觸點(diǎn)，他們旁邊的 8等數(shù)字為接線編號(hào)，可結(jié)合下節(jié)中圖 一起讀圖。 圖中的 HL10 為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)電源指示燈。圖中 SA 為手動(dòng) /自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)， SA 打在 1的位置為手動(dòng)控制狀態(tài)；打在 2的狀態(tài)為自動(dòng)控制狀態(tài)。 PLC 主要是用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要完成以下功能：自動(dòng)控制三臺(tái)水泵的投入運(yùn)行；能在三臺(tái)水泵之間實(shí)現(xiàn)變頻泵的切換； 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能；對水泵的操作要有手動(dòng) /自動(dòng)控制功能，手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用；系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能并能顯示運(yùn)行狀況。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 21 NL 1L 2L 3F U變 頻 器Q S 1RSTU VWQ S 2K M 2F R 1K M 1M 13 ~K M 3M 23 ~K M 5M 33 ~K M 4F R 2Q S 3 Q S 4K M 6F R 3 圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖 系統(tǒng)控制電路分析及其設(shè)計(jì) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水的主體控制設(shè)備是 PLC，控制電路的合理性，程序的可靠性 直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能。為提高變頻器的功率因數(shù)，必須接電抗器。如果轉(zhuǎn)向相反，則可以改變電源的相序來獲得正確的轉(zhuǎn)向。并通過轉(zhuǎn)換開關(guān)利用同一個(gè)電壓表顯示不同相之間的線電壓。為監(jiān)控電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來顯示。而且變頻器的輸出端 絕對不允許直接接電源，故必須經(jīng)過接觸器的觸點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，變頻回路接觸器的觸點(diǎn)必須先行斷開。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，同時(shí)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。 三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開關(guān)接至變頻器的 R、 S、 T端，變頻器的輸出端 U、 V、W 通過接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。 本系統(tǒng)采用三泵循環(huán)變頻運(yùn)行方式，即 3 臺(tái)水泵中只有 1臺(tái)水泵在變頻器控制下作變速運(yùn)行，其余水泵 在工頻下 做恒速運(yùn)行 ， 在用水量小的情況下，如果變頻泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過 3h，則 要切換下一臺(tái)水泵，即系統(tǒng)具有“倒泵功能”，避免某一臺(tái)水泵工作時(shí)間過長。 系統(tǒng)主電路分析及其設(shè)計(jì) 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖如圖 所示 ：三臺(tái)電 機(jī)分別為 M M M3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。本設(shè)計(jì)要求貯水池 水位： 2m~5m，所以要通過液位變送器將檢測到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（ 4~20mA 電壓信號(hào)），再將其輸入窗口比較器，用比較器輸出的高電平作為貯水池水位的報(bào)警信號(hào)，輸入 PLC。壓力表測量范圍 0~1Mpa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 4~20mA 電流信號(hào)，送給與 CPU226 連接模擬量模塊 EM235，作為 PID 調(diào)節(jié)的反饋電信號(hào)，可設(shè)定壓力上、下 限， 通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓力傳感器和壓力變送器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有可能開啟所有的水泵，而此時(shí)的用水量又達(dá)不到，這就使水管中的水壓上升，為了防止爆管和超高水壓損壞家中的用水設(shè)備 (熱水器、抽水馬桶等 )，本文中的供水系統(tǒng)使用電極點(diǎn)壓力表的壓力上限輸出，作為 PLC 的一個(gè)數(shù)字量輸入，當(dāng)壓力超出上限時(shí)，關(guān)閉所有水泵并進(jìn)行報(bào)警輸出 [13]。因此本設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)功率為 75KW 的上海 熊貓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 SFL 系列水泵 3 臺(tái)。 SFL 型低噪 音生活給水泵在外殼、軸上采用不銹鋼材質(zhì)，葉輪、導(dǎo)葉采用鑄造件，經(jīng)過靜電噴塑處理，效率可提高 5%以上；采用低噪音電機(jī)，機(jī)械密封，前端配有泄壓保護(hù)裝置，噪聲更低 (室外噪音 60 分貝 )、磨損小、壽命更長；下軸承采用柔性耐磨軸承，噪音低，壽命長；采用低進(jìn)低出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水力模型先進(jìn)，性能更可靠。 。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。另外選擇西門子的 變頻器可以通過 RS485 通信協(xié)議和接口直接與西門子 PLC 相連，更便于設(shè)備之間的通信?？焖匐娏飨拗茖?shí)現(xiàn)了無跳閘運(yùn)行，磁通電流控制改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，低頻時(shí)也可以輸出大力矩。它是用于三相交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的系列產(chǎn)品，由微處理器控制，采用絕緣柵雙 極型晶體管作為功率輸出器件，具有很高的運(yùn)行可靠性和很強(qiáng)的功能。供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對便宜的 U/f控制變頻器。本系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，所以變頻器還應(yīng)具有通訊功能。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 18 變頻器的選型 變頻器是本系統(tǒng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。輸入輸出信號(hào)接入端口時(shí)能夠自動(dòng)完成A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)；輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換，一個(gè)字長 (16bit)的數(shù)字信號(hào)能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。 根據(jù)控制系統(tǒng)實(shí)際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出 ； 開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點(diǎn)，輸入形式為 +24V 直流輸入。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴(kuò)展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)； PLC 可以上接工控計(jì)算機(jī)，對自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控 制。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對較少，因此 PLC選用德國 SIEMENS 公司的 S7200 型。 主要設(shè)備選型如表 所示： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 17 表 本 系統(tǒng)主要硬件設(shè)備清單 主要設(shè)備 型號(hào)及其生產(chǎn)廠家 可編程控制器（ PLC） Siemens CPU 226 模擬量擴(kuò)展模塊 Siemens EM 235 變頻器 Siemens MM440 水泵機(jī)組 SFL系列水泵 3臺(tái)（ 上海 熊貓機(jī)械有限公司） 壓力變送器及顯示儀表 普通 壓力表 Y100、 XMT1270數(shù)顯儀 液位變送器 分體 式液位變送器 DS26(淄博丹佛斯 公司 ) PLC 及其擴(kuò)展模塊的選型 PLC 是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，它要完成對系統(tǒng)中所有輸入號(hào)的采集、所有輸出單 元的控制、恒壓的實(shí)現(xiàn)以及對外的數(shù)據(jù)交換。 6. 通過通信控制，可以實(shí)現(xiàn)五人職守，節(jié)約了人力物力。 4. 運(yùn)行合理，由于是軟啟和軟停，不但可以消除水錘效應(yīng)，而且電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減小了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 16 2. 占地面積小，投資少，效率高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，相應(yīng)的判別條件是通過對上面兩個(gè)判別條件的修改得到的，其實(shí)質(zhì)就是增加了回滯環(huán)的應(yīng)用和判別條件的延時(shí)成立。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機(jī)組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運(yùn)行壽命。在極端的情況下，運(yùn)行機(jī)組增加后，實(shí)際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機(jī)組在變頻器的下限頻率運(yùn)行，此時(shí)又滿足了機(jī)組切換的停機(jī)條件，需要將一個(gè)在工頻狀態(tài)下運(yùn)行的機(jī)組停掉。 當(dāng)輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，實(shí)際供水壓力在設(shè)定壓力上下波動(dòng)。這個(gè)頻率遠(yuǎn)大于 0HZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在 20HZ 左右。因?yàn)楫?dāng)水泵機(jī)組運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)水泵向管網(wǎng)供水時(shí)，由于管網(wǎng)中的水壓會(huì)反推水泵，給帶動(dòng)水泵運(yùn)行的電機(jī)一個(gè)反向的力矩，同時(shí)這個(gè)水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率下降到一個(gè)值時(shí)，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實(shí)際的供水壓力也不會(huì)隨著電機(jī)頻率的下降而下降。另外，變頻