【正文】 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主電路 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu) 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 MM3，它們分別帶動(dòng)水泵 1。廣泛用于水廠、煉油廠、化工廠、玻璃廠、污水處理廠、高樓供水系統(tǒng)、水庫、河道、海洋等對(duì)供水池、 32 配水池、水處理池、水井、水罐、水箱、油井、油罐、油池及對(duì)各種液體靜態(tài)、動(dòng)態(tài)液位的測(cè)量與控制。 CYB31系列液位變送器由全密封隔離膜充油芯體和儀表專用電路組成，產(chǎn)品采用獨(dú)特的工藝密封結(jié)構(gòu)，防浸漏性能好，可長(zhǎng)期在液體中可靠工作。 3V（ DC） 。傳感器由敏感芯體和信號(hào)調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號(hào)調(diào)理電路將輸出的電壓信號(hào)作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。所以本 系統(tǒng)選用 CYYZ1001型壓力變送器（也叫壓力傳感器）。 V+電壓 31 輸出端子， V電流輸出端子， COM 公共輸出端子。隔離方式有：輸出端子 之間無隔離，輸入輸出端子和 CPU 之間用光耦隔離。只要總電流小于或等于 21mA，電流輸出和電壓輸出可以同時(shí)使用；啟動(dòng)電流或電壓輸出時(shí)，寫入輸出通道的數(shù)據(jù)有效。 模擬量模塊 CPM1AMAD01 通道數(shù)為 2，輸入信號(hào)范圍 0~10V； 1~5V； 4~20mA。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，輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換。 根據(jù) PLC 的 I/O 端口分配表如附錄 A，畫出 PLC 及擴(kuò)展模塊外圍接線圖，見附錄 B所示。 4．系統(tǒng)要有完善的報(bào)警功能。倒泵只用于系統(tǒng)只有一臺(tái)變頻泵長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下。 PLC 的 I/O 端口分配及外圍接線 基于 PLC 的變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下： 1．三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能（變頻器具有軟啟動(dòng)功能），對(duì)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?？赏ㄟ^指令語言分配中斷任務(wù) 0~255。中斷任務(wù) 2 被固定分配。時(shí)間間隔的單位時(shí)間可 叢 10ms、 1ms、 中選擇。輸入頻率，作為所使用的輸入中斷（計(jì)時(shí)器模式）的合計(jì)為 5kHz 以下。耕具中斷接點(diǎn)中斷任務(wù) 140~147 被固定分配。與此不同，根據(jù)特定要求的發(fā)生，可以在該周期的中途中斷，使其執(zhí)行特定的程序。 4．其他功能： 2 位 7 段碼發(fā)光二極管顯示故障信息； 支持 S7200 中型機(jī) CJ1 系列高功能模塊（最大 2 塊）； 支持 FB/ST 編程。 29 2． 特殊功能 4 軸脈沖輸出 ： 100kHz2 和 30 kHz2（ X 型和 XA 型），最大 1MHz（ Y 型）； 4 軸高速計(jì)數(shù)：?jiǎn)蜗?100kHz 或相位差 50 kHz4（ X 型和 XA 型），最大 1MHz（ Y型）； 內(nèi)置模擬量： 4 輸入， 2 輸出（ XA 型）。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，輸出信號(hào)接出端口時(shí)能夠自動(dòng)完成 D/A 的轉(zhuǎn)換。因?yàn)檫x用 PLC 接點(diǎn)時(shí)要有 一定的預(yù)留量，所以本系統(tǒng)選用具有 40 個(gè)點(diǎn)的歐姆龍 CP1HX40DRA 型 PLC。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)，變頻器的復(fù)位需要 PLC 的 1 個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需要 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)，變頻器的起動(dòng)需要 1 個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共 10 個(gè)。因此我們?cè)谶x擇 PLC 時(shí)，要考慮 PLC 的指令執(zhí)行速度、指令豐富程度、內(nèi)存空間、通訊接口及協(xié)議、帶擴(kuò)展模塊的能力和編程軟件的方便與否等 多方面因素。 缺點(diǎn)：調(diào)速精度低，不直觀；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊較貴。 28 3．通過 PLC 加數(shù)模（ DA）轉(zhuǎn)換模塊，將 PLC 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓（或電流視變頻器設(shè)置而定）信號(hào)，輸入到變頻器的模擬量控制端子，控制變頻器工作。 優(yōu)點(diǎn)：可以無級(jí)變速，速度變換平滑，速度控制精確，適應(yīng)能力好。 缺點(diǎn)：不能無級(jí)調(diào)速。通過 PLC 的輸出端子的閉合和斷開的組合，使變頻器不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。為 了使 PLC的輸出及時(shí)地響應(yīng)隨時(shí)可能變化的輸入信號(hào)，用戶程序不是只執(zhí)行一次，而是反復(fù)不斷地重復(fù)執(zhí)行，直到 PLC 停機(jī)或切換到 STOP 工作狀態(tài) 。 PLC 的工作原理 PLC 有兩種工作狀態(tài)，即運(yùn)行（ RUN）狀態(tài)和停止（ STOP）狀態(tài)。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì) CPU 選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。 （ 6） 經(jīng)濟(jì)性的考慮 輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。 ②在需要時(shí)也可選用 PLC 硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、 2 重化或 3 重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。為防止外部高壓電源因誤操作而引入 PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。重要的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電?？紤]是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程 I/O 機(jī)架等。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過載能力較差。 （ 2） 輸入輸出模塊的選擇 輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。從應(yīng)用角度出發(fā)，通?？砂纯刂乒δ芑蜉斎胼敵鳇c(diǎn)數(shù)選型。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型 PLC 的掃描時(shí)間不大于 ； 大中型 PLC 的掃描時(shí)間不大于 。處理速度與用戶程序的長(zhǎng)度 、 CPU 處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。 （ 6） 處理速度 PLC 采用掃描方式工作。通過軟件對(duì) PLC 內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對(duì) PLC 的 CPU 與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。 （ 5） 診斷功能 PLC 的 診斷功能包括硬件和軟件的診斷。五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖 （ SFC） 、梯形圖 （ LD） 、功能模塊圖 （ FBD） 三種圖形化語言和語句表（ IL）、結(jié)構(gòu)文本 （ ST） 兩種文本語言。在線編程方式： CPU 和編程器有各自的 CPU，主機(jī) CPU 負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式， CPU 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。 為減輕 CPU 通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。通信協(xié)議應(yīng)符合 ISO/IEEE 通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)， PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信 接（ RS2232C/422A/423/485） 、 RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng) 1﹕ 1 冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要 ； PLC 系統(tǒng) 25 的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于 1Mbps， 通信負(fù)荷不大于 60%。例如采用 PID 控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、 ASC 碼轉(zhuǎn)換單元等。 （ 2） 控制功能 控制功能包括 PID 控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運(yùn)算等。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。 3． 控制功能的選擇 該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來替代。 2． 存儲(chǔ)器容量的估算 存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。 PLC 的選型要求 PLC 選型一般要考慮以下參數(shù)： 1． 輸入輸出 （ I/O） 點(diǎn)數(shù)的估算 I/O 點(diǎn)數(shù) 估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10%～20%的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。它采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 表 水泵參數(shù) 符號(hào) 型號(hào) 流量（ m3/h） 揚(yáng)程（ m） 轉(zhuǎn)速 （ r/min） 電機(jī)功率 （ kw） M1M2 M3 40160（ IA﹚ 11 28 1450 15 PLC 的選擇 可編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 PLC（ Programmable logic Controller） ，是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。 熱繼電器的選擇：選用最小的熱繼電器作為電機(jī)的過載保護(hù)熱繼電器 FR， FR FRFR3可選用規(guī)格其型號(hào)為 TKE02TC，額定電流 5－ 8A。 熱繼電器的圖形符號(hào)如 所示。 熱繼電器的形式有多種，其中雙金屬片式應(yīng)用最多。 FU 圖 熔斷器圖形符號(hào) 熔斷器的選擇，在控制回路中熔斷器 FU 選用 RT18 系列 熱繼電器的選擇 熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)或其他用電設(shè)備進(jìn)行過載保護(hù)的控制電氣。 熔斷器主要由熔體，安裝熔體的熔管和熔座 3 部分組成。 熔斷器的選擇 熔斷器是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)中短路保護(hù)的電器。 2． 斷路器的圖形符號(hào)如圖 所示。 當(dāng)線路發(fā)生過載時(shí)，過載電流流過熱元件產(chǎn)生一定的熱量，使雙金屬片受熱向上彎曲，通過杠桿推動(dòng)塔鉤與鎖扣脫開，在反作用力彈簧的作用下，動(dòng)、靜觸點(diǎn)分開，從而切斷電路，保護(hù)電氣設(shè)備。 低壓斷路器的工作原理及選擇 1． 斷路器的工作原理 低壓斷路器主要由動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、弧頭、滅弧裝置、操作機(jī)構(gòu)、熱脫扣器和外殼等部分組成。低壓斷路器具有操作安全、安裝使用方便、工作可靠、動(dòng)作值可調(diào)、分段能力較高、兼顧多種保護(hù)、動(dòng)作后不需要更換元件等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛使用。 它是低壓配電網(wǎng)絡(luò)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)中常用的一種配電電器。 KM KM KM KM 圖 交流接觸器的符號(hào) 根據(jù)該設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于接觸器 KM 選擇的是規(guī)格 SCE03C4。接觸器的主觸點(diǎn)均為常開觸點(diǎn)，輔助觸點(diǎn)有常開、常閉之分。 交流接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理 1． 交流接觸器的工作原理 交流接觸器有 3 對(duì)主觸點(diǎn)和 4 對(duì)輔助觸點(diǎn)，主觸點(diǎn)用于接通和分段主電路，允許通過較 大的電流；輔助觸點(diǎn)用于控制電路，只允許小電流通過。 接觸器是利用在電磁力作用下吸合和反向彈簧作用下釋放，試觸點(diǎn)閉合和分段，實(shí)現(xiàn)電路接通和斷開的。它不但能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動(dòng)操作和欠電壓 釋放保護(hù)功能，而且還具有控制容量大、工作可靠、操作效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 FRA540 系列變頻器的管腳排列如下圖 所示。 適用場(chǎng)合 一般風(fēng)機(jī)、泵類等 較高精度調(diào)速，控制 一般工業(yè)上的調(diào)速或控制 所有調(diào)速或控制 伺服拖動(dòng)、高精傳動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制 負(fù)荷起動(dòng)、起重負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大負(fù)載 變頻器的參數(shù) 變頻器的參數(shù)如表 所示。 177。（ ~） 177。 表 控制方式的比較 控制方式 U/f=C 控制 電壓空間矢量控制 矢量控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 反饋裝置 不帶 PG 帶 PG 或 PID調(diào)節(jié)器 不要 不帶 PG 帶 PG 或編碼器 速比 I 1:40 1:60 1:100 1:100 1:1000 1:100 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(在 3Hz） 150% 150% 150% 150% 零轉(zhuǎn)速時(shí)為150% 零轉(zhuǎn)速時(shí)為 150%~200% 靜態(tài)速度精度 /% 177。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。 變頻器的控制方式比較 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān) 鍵所在。 5． 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對(duì) 18 某一個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。 4． 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通 過檢測(cè)定子電阻來達(dá)到觀測(cè)定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的 PWM 波以減少開關(guān)損耗。 3． 矢量控制 矢量控制是通過矢量坐標(biāo)電 路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在 d、 q、 0 坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。 2． 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在 V/f 控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)