【正文】 (1) 式中 n——— 異步電動機的轉(zhuǎn)速； f——— 異步電動機的頻率； s——— 電動機轉(zhuǎn)差率； p——— 電動機極對數(shù)。 變頻器的系統(tǒng)組 成及接口定義 變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元 、 微處理單元等組成的 。如果采用一個開關(guān)量輸入 /輸出的可編程控制器和一個 PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入 /輸出的可編程控制器差不多。由于帶模擬量輸入 /輸 出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供水設(shè)備的成本。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入 PID 回路調(diào)節(jié)器，由 PID 回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進行運算后，輸入給變頻XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 13 器一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需要的水壓期望值。 該方式 中 變頻器的作 用 是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速 ，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。 目前國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的供水設(shè)備電控柜，除采用落后繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類：邏輯電子電路控制方式 、 單片微機電路控制方式 、 帶 PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器（ PLC）的控制方式 和 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 。而水泵設(shè)計是按工頻運行時設(shè)計的，但供水時除高峰外，大部分時間流量較小，由于命名用了變頻技術(shù)及微機技術(shù)有微機控制，因此可以使水泵運行的轉(zhuǎn) 速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。 變頻控制恒壓供水控制方式 眾所周知，水泵消耗功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路?？刂齐娐肥亲冾l器的核心部分，其性能的優(yōu)劣決定了變頻器的性能。 （ 4）控制電路 變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓都可以任意調(diào) 節(jié)的交流電源。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。市售通用變頻器多是交直 交變頻器，其基本結(jié)構(gòu)圖如圖 210 所示 . 控制對象 檢測 對象 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)字 系統(tǒng) D/A轉(zhuǎn)換 執(zhí)行機構(gòu) XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 12 圖 210 變頻器基本結(jié)構(gòu) 由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： （ 1）整流器 電網(wǎng)側(cè)的變流器是整流器，它的作用是把三相 (也可以是單相 )交流整流成直流。而交 直 交變頻器則是先把工頻交流電通過整流變成直流電。 圖 29 D/A轉(zhuǎn)換原理框圖 變頻器的工作原理及其組成結(jié)構(gòu) 從頻率變換的形式來說，變頻器分為交 交和交 直 交兩種形式。 模 擬 量 采樣 保持 量化 編碼 數(shù)字量 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 11 控制指令 中間直流環(huán)節(jié) AC 控制指令 控制指令 網(wǎng)側(cè)變流器 整流器 逆變器 AC M 運行指令 24 +24 V+VI V+VI I+I+變頻器等記錄儀等+1 5VAG1 5V模擬量輸出模塊FX 2N 4DAPL CDC 24 V, 20 0m A外接電源DC /D C轉(zhuǎn)換器CH 1電壓 輸出CH 2電流 輸出 圖 28 FX2N－ 4DA的外部接線 在 D/A 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是幅值上均離散的數(shù)字量，輸出的是時間上、幅 值上都是連續(xù)的模擬量，因此，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量時需經(jīng)控制對象、檢測對象、 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字系統(tǒng)、 D/A 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行機構(gòu)六個步驟。 FX2N－ 4DA 接地端應(yīng)與 PLC 主單元接地端連接；雙絞屏蔽電纜應(yīng)在負載端使用單點接地。 FX2N－ 4DA 的 4 個輸出通道（ CH1～ CH4） 通道輸出端子接線，可以獨立的選擇為電壓輸出或電流輸出。圖中模擬量輸出信號采用雙絞屏蔽電纜傳輸，電纜應(yīng)遠離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。 圖 27 A/D轉(zhuǎn)換原理框圖 模擬量輸出模塊 FX2N4DA FX2N－ 4DA 的功能 FX2N－ 4DA 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸出模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進行 D/A 轉(zhuǎn)換，即將 PLC 處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號輸出，以實現(xiàn)對現(xiàn)場過程參數(shù)的控制。10 55mA接地電阻小于100 ?擴展電纜250 ?100K ?100K ?CH4AG250 ?100K ?100K ?CH4DC/DC轉(zhuǎn)換器AG+15V15V模擬量輸入模塊FX2N4AD 圖 26 FX2N4AD外部接線 在 A/D 轉(zhuǎn)換過程中，輸入的是時間上、幅值上都是連續(xù)的模擬量，而輸出的則是時間上，幅值上均離散的數(shù)字量，因此，要把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字時需經(jīng)采樣、保持、量化、編碼四個步驟。其外部接線如圖 26 所示。如果是電流輸入，應(yīng)將端子 V+和 I+連接。如果輸入電壓有波動，或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 ～ 的平滑電容。 FX2N－ 4AD 的外部接線 FX2N4AD 外部接線如圖 26 所示。 4A/D 及 4D/A 擴展模塊 模擬量輸入模塊 FX2N4AD FX2N－ 4AD 的功能 FX2N－ 4AD 是 FX 系列 PLC 的模擬量輸入模塊，有四個輸入通道，每個通道都可進行 A/D 轉(zhuǎn)換。根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)器件寄存器中。但遇到程序跳轉(zhuǎn)指令，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序的跳轉(zhuǎn)地址。在此輸入映象寄存器被刷新，接著進入程序的執(zhí)行階段。 3）輸入處理 輸入處理也叫輸入采樣。 1）內(nèi)部處理階段 在此階段， PLC 檢查 CPU 模塊的硬件是否正常，復(fù)位監(jiān)視定時器，以及完成一些其它內(nèi)部工作。 PLC 循環(huán)掃描過程如圖 25 所示。在 PLC 處于運行狀態(tài)時，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。由于計算機在每一瞬間只能做一件事，其 CPU 是以分時操作方式來處理各項任務(wù)的，所以程序的執(zhí)行時按順序依次完成相應(yīng)的動作，這便形成時間上的串行，即串行工作方式。用戶程序是線性地存儲在系統(tǒng)監(jiān)控程序指令的存儲空間內(nèi)的，它的最大容量也是由監(jiān)控程序限制的。 2)用戶程序是 PLC 的使用者編制的針對控制問題的程序。 1)系統(tǒng)監(jiān)控程序是每一臺 PLC 必須包括的部分，是由 PLC 的制造者編制的，用于控制 PLC 本身的運行。 PLC 輸出回路接線如圖 24 所示。 PLC輸入回路接線如圖 23 所示。 ③輸入輸出接口 輸入輸出接口是 PLC 和現(xiàn)場輸入與輸出設(shè)備連接的部分。系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序。 圖 22 PLC硬件結(jié)構(gòu) ①微處理器（ CPU） CPU 是 PLC 的運算控制中心， PLC 在 CPU 的控制下，協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作，執(zhí)行監(jiān)控程序，進行信息和數(shù)據(jù)的邏輯處理，產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)部控制信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場各個設(shè)備的控制。 X0FNC88PID D0 D1 D100 D150S1 S2 S3 D設(shè)定值SV當前值SV參數(shù)表首地址輸出值mV 圖 21 PID功能指令說明 PLC 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 PLC 的基本結(jié)構(gòu) (1).PLC 的硬件組成 可編程控制器主要由微處理器 (CPU)、存儲器 (RAM、 ROM)、輸入輸出接 口(I/O)、電源和編程器等幾個部分組成。 現(xiàn)在很多中小型 PLC 都提供 PID 控制用的功能指令，如 FX2N 系列 PLC 的PID 指令，它實際上是用于 PID 控制的子程序，與 AD\DA 模塊一起使用，可以得到過程控制模塊的效果。這就是說，在控制器中僅引入 “比例 ”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是 “微分項 ”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 XXXX 職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（ 論文 ） 基于 PLC 的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試 6 (3)微分（ D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項 ”。 (2)積分（ I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。即當我們不 能 完全了解一個系統(tǒng)和 被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 事實上， PLC 就是以嵌入式 CPU 為核心，配以 I/O 等模塊，可以方便地用于工業(yè)控制領(lǐng)域的 裝置。它能夠存儲和執(zhí)行命令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)等的操作，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產(chǎn)過程。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展， PLC 的功能不斷擴展和完善，其功能遠遠超出了邏輯控制和順序控制的范圍，具備 了模擬量的控制、過程控制以及遠程通信等強大的功能。 適用范圍 : 廣 泛應(yīng)用于居民區(qū) 、賓館及其它公共建筑的生活用水、鍋爐補給水，加壓泵站、各類工礦企業(yè)的生產(chǎn)用水、消防用水、鍋爐恒壓補水、輸油管道增壓、注水系統(tǒng)、農(nóng)田灌溉等。 (4)當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻運行，確保供水不間斷。在設(shè)定了定時換泵功能后，當一臺變量泵連續(xù)工作時間超過設(shè)定值后，且有變量泵處于 “休息 ”狀態(tài)，則變頻器自動切換啟動 “休息 ”時間最長的變量泵，并停止原變量泵，以保證各臺水泵運行時間均等，延長水泵使用壽命。由于系統(tǒng)是根據(jù)管網(wǎng)用水量的多少來決定投入運行水泵的臺數(shù)，所以當用水量長期在某一小范圍內(nèi)變化時就會使 得某臺水泵長期運行而磨損嚴重，而其他水泵長期不使用造成生銹，設(shè)定本功能后則可方便的解決該問題。消除了水泵電機直接起動時對電網(wǎng)的沖擊和干擾，并且設(shè)備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、 過熱等多種保護功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。按需要設(shè)定供水壓力，根據(jù)管網(wǎng)用水量來變頻調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終在高效率工況下運行，同普通的無塔供水設(shè)備相比，節(jié)能效果達 到20％。投資者對變頻恒壓自動供水設(shè)備行業(yè)的關(guān)注越來越密切，這使得變頻恒壓自動供水設(shè)備行業(yè)的發(fā)展需求迅速增大。這類變頻器的價格僅比通用變頻器略高 ，但是功能卻增強很多，所以采用帶有內(nèi)置 PID 功能的變頻器生產(chǎn)出來的恒壓供水設(shè)備，使設(shè)備成本大大降低。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分穩(wěn)定。上述產(chǎn)品將 PID調(diào)節(jié)器以簡易的可編程控制器的功能都綜合進變頻器內(nèi)，形成帶有各種新型變頻器。 考慮到傳統(tǒng)的供水設(shè)備的不足之處，諸多國外生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新產(chǎn)品，例如華為的 TD2100。 在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓 供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧的變頻恒壓供水系統(tǒng)，逐漸越來越多運用在生活和生產(chǎn)實踐中。變頻器目前被國內(nèi)外廠家廣泛應(yīng)用于礦山機械、冶金、水泥、鋼鐵、化工、電力、機械制造、汽車、輕工、環(huán)保及自動恒壓供水系統(tǒng)等領(lǐng)域。只有強化水資源的同意管理，進行合理開發(fā)，才能促進國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。 當前我國供水運行管理仍然比較落后，水資源浪費現(xiàn)象十分嚴重，不能適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。 在供水系統(tǒng)中，如果用戶用水量需要變化時，利用改變閥門開度變化傳統(tǒng)的調(diào)整方法 ，會造成供水壓力不足或過大情況，容易造成資源浪費和產(chǎn)生安全隱患。要保障供水網(wǎng)的末端工作壓力和供水始端壓力正常顯得尤其重要和關(guān)鍵。如何保證供水系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定地運行是很多行業(yè)都關(guān)注的問題。恒壓供水保證了供水質(zhì)量，以 PLC 為主機的控制系統(tǒng)豐富了系統(tǒng)的控制功能