【正文】 PLC 作了如下的國際性定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計 [8]。 PLC 的特點 早期的可編程序控制器 (PLC)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。 1969 年，美國數(shù)字設(shè)備公司 (DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。 70 年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC的功能 大大增強 。在軟件方面， PLC 采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言， 除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。而且，為太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片 ，大大提高了PLC 軟、硬件功能。據(jù)“美國市場信息”的世界 PLC以及軟件市場報告稱， 1995 年全球 PLC 及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約 50 億美元。 2. 功能強，性能價格比高 一臺小型的 PLC內(nèi)有成千上萬個可供用戶使用的編程元件，有很強的功能，可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。 PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)分散控制，集中管理。 PLC 的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。硬件配置確定后，可以通過修改用戶程序，方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。由于觸電接觸不良，容易出現(xiàn)故障。 PLC 采取了一系列硬件和軟件抗干擾措施，具有很強的抗干擾能力， 可以直接用于有強烈干擾的工業(yè)現(xiàn)場， PLC 以被廣大用戶認為最可靠的工業(yè)控制設(shè)備之一。 PLC 的梯形圖程序一般用順序控制設(shè)計法來設(shè)計。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計梯形圖的時間比設(shè)計相同功能的繼電器控制系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。完成了系統(tǒng)的安裝和接線后，在現(xiàn)場的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題一般通過修改程序就可以解決，系統(tǒng)的調(diào)試時間比繼電器系統(tǒng)少得多。 PLC 或外部的輸入裝置和執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù) PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障原因，用更換模塊的方法可以迅速的排除故障。 PLC 的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線少得多，故可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，加上開關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費用。 多種控制功能 ， 數(shù)據(jù)采集、存儲與處理功能 ， 通信聯(lián)網(wǎng)功能 ， 輸入 /輸出接口調(diào)理功能 ， 人機界面功能 ，編程、調(diào)試功能 。 字串 9 定時控制：它為 用戶提供了若干個電子定時器，用戶可自行設(shè)定：接通延時、關(guān)斷延時和定 時脈沖等方式。 順序控制：在前道工序完成之后，就轉(zhuǎn)入下一道工序，使一臺 PLC 可作為多部步進控制器使用。 擴展算術(shù)：平方根、三角函數(shù)和浮點運算。 數(shù)據(jù)處理：選擇、組織、規(guī)格化、移動和先入先出。 3 . 輸入 /輸出接口調(diào)理功能具有 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換功能，通過 I/O 模塊完成對模擬量的控制和調(diào)節(jié)。具有溫度測量接口，直接連接各種電阻或電偶。 字串 6 通信接口或通信處理器按標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口或?qū)Ｓ械耐ㄐ艆f(xié)議完成程序和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn) 移。在系統(tǒng)構(gòu)成時，可由一臺計算機與多臺 PLC 構(gòu)成“集中管理、分散控制”的分布式控制網(wǎng)絡(luò)，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。 5 . 人機界面功能提供操作者以監(jiān)視機器 /過程工作必需的信息。實現(xiàn)人機界面功能的手段：從基層的操作者屏幕文字顯示，到單機的 CRT 顯示與鍵盤操作和 用通信處理器、專用處理器、個人計算機、 工業(yè)計算機的分散和集中操作與監(jiān)視系統(tǒng)。 PLC 的選型 PLC 機型選擇的基本原則是，在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型。 其具體的選型原則如下： 1． PLC 型號的選擇 由于恒壓供水自動控制系統(tǒng)控 制設(shè)備相對較少，因此 PLC 選用德國 SIEMENS 公司的S7200 型。 SIEMENS 公司的 PLC 具有可靠性高，可擴展性好，又有較豐富的通信指令，且通信協(xié)議簡單等優(yōu)點； PLC 可以上接工控計算機，對自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)測控制。用戶程序有三級口令保護，可以對程序?qū)嵤┌踩Ｗo [37]。變頻調(diào)速恒壓供水自動控制系統(tǒng)采用分組運行的方式，把 1水泵電機（ 160KW）和2水泵電機（ 220KW）分為機組Ⅰ， 3水泵電機（ 160KW）和 4水泵電機（ 220KW）分為機組Ⅱ。要求控制的現(xiàn)場設(shè)備有四臺電機接觸器的動作，四個閥 門正反轉(zhuǎn)，變頻器的控制端子，熱繼電器輸入及報警等。 （ 1）輸入端口 自動控制系統(tǒng) PLC 的輸入端口包括機組Ⅰ啟動按鈕，閥門關(guān)閉按鈕，電機停止按鈕，以及機組Ⅱ啟動按鈕，閥門關(guān)閉按鈕，電機停止按鈕。 （ 2） 輸出端口 PLC 的輸出端口包括機組Ⅰ內(nèi)控制 1電機兩個交流接觸器的動作，分別對應(yīng)變頻 /工頻兩個工作狀態(tài)， 1水泵相應(yīng)閥門的正反轉(zhuǎn)， 2電機變頻運行的交流接觸器動作， 2水泵相應(yīng)閥門的正 反轉(zhuǎn)。 PLC 與這些交流接觸器的連接是通過中間繼電器來實現(xiàn)的，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)中的強電和弱電之間的隔離，保護 PLC設(shè)備，增強系統(tǒng)工作的可靠性。 此外，對于電動機的熱保護繼電器輸入，報警指示 輸出既需要四個端口顯示哪一臺電機故障，也需要一個輸出端子進行蜂鳴器報警輸出。 4． PLC 的選型 根據(jù)控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮 PLC 端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，為以后新設(shè)備的介入或設(shè)備調(diào)整留有余地，因此選用的 S7200 型 PLC 的主模塊為 CPU226，其開關(guān)量輸出（ DQ）為 16 點，輸出形式為 AC220V 繼電器輸出；開關(guān)量輸入 CPU226 為 24點，輸入形式為＋ 24V 直流輸入 。 此外，為了方便的將水位信號、電機頻率信號和同相比較信號傳輸給 PLC,經(jīng)比較計算后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，選擇了 EM235 模擬量擴展模塊。輸入輸出信號接入端口時能夠自動完成 A/D 的轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號能夠轉(zhuǎn)換成一個字長（ 16bit）的數(shù)字信號；輸出信號接出端口時能夠自動完成D/A 的轉(zhuǎn)換，一個字長（ 16bit）的數(shù)字信號能夠轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。 系統(tǒng)中 PLC 的選型包括一個 CPU226 主模塊，兩個 EM222 擴展模塊，一個 EM235 模擬量擴展模塊。輸入和輸出均有余量，可以滿足日后系統(tǒng)擴充的要求。根據(jù)實際情況和 PLC 的編程知識，并考慮到設(shè)計維修人員設(shè)計的易懂性，其程序設(shè)計流程圖如下圖 ： 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 系統(tǒng)啟動延時 10s 1水泵電機變頻工作 變頻器啟 動 2水泵電機工頻工作 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T37 1水泵電機變頻工作 變頻器啟動延時 1s 初始 T37 1水泵電機變頻工作 變頻器啟動 1水泵電機變頻工作延時 2min 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T38 VD108≥ T39 T38 T40 T40 T41 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動延時 1s T41 T42 T44 電機切換延時 10s T44 VD108≤ T45 T39 T45 啟動 T46 VD108≤ 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動 1水泵電機工頻工作 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T46 T43 R ,9 T47 T47 ～ 復(fù)位 SBR_0 =9 INT_2 =23 INT_0 INT_1 通信程序初始化 =10 發(fā)送完成中斷 接收完成中斷 10ms 定時中斷 VB301=‘ Q’ VB301=‘ T’ PID回路控制 PID回路控制 2水泵電機變頻工作 變頻器啟動 2水泵電機變頻工作延時 2min 數(shù)值穩(wěn)定延時 5s T42 VD108≥ T43 PID回路控制 PID回路控制 電機切換延時 10s 停止 太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 3． 2 變頻器的介紹 3． 2． 1 變頻器的概念 變頻器是把工頻電源 (50Hz 或 60Hz)變換成各種頻率 的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備，其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電 [1]。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動 機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率 f在 0～ 50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。 3． 2． 3 變頻器的操作方式及使用 1． 非智能控制方式 在交流變頻器中使用的非智能控制方式有 V/f 協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 V/f控制變頻器 結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變 動有良好的響應(yīng)特性。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種 PWM 波，達到各種不同的控制目的。目前在變頻器中實際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。因此，基于轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方式比轉(zhuǎn)差頻率控制方式在輸出特性方面能得到很大的改善。 無速度傳感器矢量控制是通過坐標(biāo)變換處理分別對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，然后通過控制電動機定子繞組上的電壓、電流辨識轉(zhuǎn)速以達到控制勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的目的。 (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)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同 而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。 (6)其他非智能控制方式 在實際應(yīng)用中，還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。在變頻器的控制中采用智能控制方式在具體應(yīng)用中有一些成功的范例。專家?guī)炫c推理機制的設(shè)計是尤為重要的，關(guān)系著專家系統(tǒng)控制的優(yōu)劣。 3． 2． 4 變頻器的選型 隨著社會的進步和技術(shù)的發(fā)展，大部分制造廠都專門生產(chǎn)了水泵專用型變頻器系列。一般來說，選用水泵專用型變頻器就可以滿足用 戶的需求。它具有 高過載能力，適合多種場所，但己最大容量為 630KW ； 110kw 以下可內(nèi)置再生能耗制動單元 ；支持 RS485 或 CANBUS 通用模式 多種防護等級 ； 電壓適應(yīng)強，波動可達 20%～ +20%；高壓出扭距； RS458 通訊界面等。 變頻恒壓供水設(shè)計 變頻節(jié)能供水 在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是 流量。常見方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [1]。 閥們控制法的實質(zhì)是：水泵的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的需求。如下圖 ，設(shè)用戶所需的流量 QX為額定流量的 60%（即 QX=60%QN），當(dāng)通過關(guān)小閥們來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚程特性則仍為曲線①，故 供水系統(tǒng)的工作點移至 E點，這時：流量減少為 QE（ =QX）；揚程增加為 HE；由式子 P=CPHTQ知，供水功率 PG與面積 0DEJ 成正比。 轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的需求。仍以用戶所需流量等于 60%QN為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使 QX=60%QN時，揚程特性為曲線④，管阻特性則仍為曲線，故工作點移至C點。 3．兩種方法的比較 比較上述的兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（ QX〈 100%QN〉的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時小的多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。 H 管阻特性 H0 ③ HE J E ② G ?p N HN HC K C ① HB 揚程特性 ④