【正文】 ACM運(yùn)行指令而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速式中 異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率， ，一般小于 3%，均與送入電機(jī)的電s 11/)(Ns??流頻率成正比例。 變頻器的基本結(jié)構(gòu)依據(jù)頻率變換的形式來(lái)分，變頻器分為交交和交直交兩種形式。而交直交變頻器則是先把工頻交流電通過(guò)整流變成直流電。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 23 所示，圖23　交直交變頻器的基本結(jié)構(gòu)它由主回路，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。(2)直流中間電路。由于逆變器的負(fù)載多為異步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。因此，中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無(wú)功功率交換。負(fù)載側(cè)的變流器為逆變器。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路、柵極驅(qū)動(dòng)電路、外部接口電路及保護(hù)電路等幾個(gè)部分。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成。逆變電路最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是利用 6 個(gè)半導(dǎo)體主開(kāi)關(guān)器件組成的三橋式逆變電路。圖 24 為電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu)示意圖。主要設(shè)備選型如表 所示：表 31 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北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 10 頁(yè) 硬件選擇 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(duì)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(duì)外的數(shù)據(jù)交換。由于恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)控制設(shè)備相對(duì)較少，因此 PLC 選用SIEMENS 公司的 S7200 型。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(kāi)關(guān)量輸出為 16 點(diǎn)，輸出形式為 AC220V繼電器輸出；開(kāi)關(guān)量輸入為 24 點(diǎn)，輸入形式為+24V 直流輸入。輸入和輸出信號(hào)，可自動(dòng)完成 A/ D 轉(zhuǎn)換，標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)可以轉(zhuǎn)換成一個(gè)字?jǐn)?shù)字信號(hào)，輸出信號(hào)則可以自動(dòng)完成端口的 D / A 轉(zhuǎn)換，一個(gè)字的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的輸出信號(hào)。 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(guò)頻率的改變實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變出水量。由于本設(shè)計(jì)中 PLC 選擇的西門(mén)子 S7200 型號(hào)，為了方便 PLC 和變頻器之間的通信，選擇西門(mén)子的 MicroMaster440 變頻器。它采用模塊化結(jié)構(gòu)，組態(tài)靈活，有多種完善的變頻器和電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能，有內(nèi)置的 RS485/232C 接口和用于簡(jiǎn)單過(guò)程控制的 PI 閉環(huán)控制器，可以根據(jù)用戶的特殊需要對(duì) I/O 端子進(jìn)行功能自定義。 水泵機(jī)組的選型水泵機(jī)組選型基本原則，一是要確保平穩(wěn)運(yùn)行；二是要經(jīng)常處于高效區(qū)運(yùn)行，以求取得較好的節(jié)能效果。本設(shè)計(jì)的要求為：電動(dòng)機(jī)額定功率 75KW，供水壓力控制在177。它可用在城市給排水、鍋爐給水、空調(diào)冷卻系統(tǒng)、消防給水等。在選型時(shí)，為防止傳輸過(guò)程中的干擾與損耗，通常采用 4~20mA 輸出壓力變送器。為防止爆管和超高水壓損壞用水設(shè)備，本設(shè)計(jì)中的供水系統(tǒng)采用電極點(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)，系統(tǒng)關(guān)閉所有水泵并報(bào)警輸出。壓力表測(cè)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(guò)兩路繼電器控制輸出壓力超限信號(hào)。本設(shè)計(jì)要求貯水池水位：2m~5m，所以要通過(guò)液位變送器將檢測(cè)到的水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)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。 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MMM3，它們分別帶動(dòng)水泵 3。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北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 13 頁(yè) 圖 32 變頻恒壓供水系統(tǒng)主電路圖本設(shè)計(jì)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 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(guò)長(zhǎng)。三相電源經(jīng)低壓熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)接至變頻器的 R、S、T 端，變頻器的輸出端U、V、W 通過(guò)接觸器的觸點(diǎn)接至電機(jī)。主電路中的低壓熔斷器除接通電源外，還可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，每臺(tái)水泵的過(guò)載保護(hù)由相應(yīng)的熱繼電器 FR 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接通工頻回路時(shí)，應(yīng)先斷開(kāi)變頻回路接觸器的觸點(diǎn)。為監(jiān)視電機(jī)負(fù)載運(yùn)行情況，主回路的電流大小可以通過(guò)電流互感器和變送器將 4~20mA 電流信號(hào)送至上位機(jī)來(lái)顯示。手動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，必須采用降壓?jiǎn)?dòng)或軟啟動(dòng)的方式以降低啟動(dòng)電流，本設(shè)計(jì)采用軟啟動(dòng)器。PLC 用于實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水系統(tǒng)的自動(dòng)控制，要實(shí)現(xiàn)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(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能。圖中SA 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)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)。北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 14 頁(yè)S B 1K M 1S B 2Q 0 . 0Q 0 . 1K M 2K M 1K M 1K M 2H L 1H L 2F R 1S B 5K M 5S B 6Q 0 . 4Q 0 . 5K M 6K M 5K M 5K M 6H L 5H L 6F R 3S B 3K M 3S B 4Q 0 . 2Q 0 . 3K M 4K M 3K M 3K M 4H L 3H L 4F R 2P L CNL 1F U 2S A12Q 1 . 1H L 7Q 1 . 3H L 9Q 1 . 2H L 8H L 1 0Q 1 . 4Q 1 . 5K AH AN 14681 01 21 41 61 82 02 22 4圖 33　變頻恒壓供水系統(tǒng)控制電路圖注：PLC 各 I/O 端口、各指示燈所代表含義在下一節(jié) I/O 端口分配中將詳細(xì)介紹。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位是只提供一個(gè)干觸發(fā)點(diǎn)信號(hào)，本系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)中間繼電器 KA 的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)頻控制。本系統(tǒng)在手動(dòng)/自動(dòng)控制下的運(yùn)行過(guò)程如下：(1) 手動(dòng)控制：手動(dòng)控制只在檢查故障原因時(shí)才會(huì)用到，便于電機(jī)故障的檢測(cè)與維北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 15 頁(yè)修。SB1 按下時(shí)由于 KM2 常閉觸點(diǎn)接通電路使得 KM1的線圈得電，KM1 的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合從而實(shí)現(xiàn)自鎖功能，電機(jī) M1 可以穩(wěn)定的運(yùn)行在工頻下。同理，可以通過(guò)按下 SBSB5 啟動(dòng)電機(jī) MM3，通過(guò)按下 SBSB6 來(lái)使電機(jī) MM3停機(jī)。單刀雙擲開(kāi)關(guān)SA 打至 2 端時(shí)開(kāi)啟自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制的工作狀況由 PLC 程序控制。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，KM2 線圈得電，1水泵變頻運(yùn)行指示燈HL2 點(diǎn)亮，同時(shí) KM2 的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn) KMKM1 的電氣互鎖。當(dāng) 輸出 1 時(shí)，水池水位上下限報(bào)警指示燈 HL7 點(diǎn)亮；當(dāng) 輸出 1 時(shí)，變頻器故障報(bào)警指示燈 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(kāi)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。白天，小區(qū)的用水量大，系統(tǒng)高恒壓值運(yùn)行；夜間，小區(qū)用水量小，系統(tǒng)低恒壓值運(yùn)行。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。(4) 三臺(tái)水泵在啟動(dòng)時(shí)要有軟啟動(dòng)功能，對(duì)水泵的操作要有手動(dòng)/自動(dòng)控制功能，北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 16 頁(yè)手動(dòng)只在應(yīng)急或檢修時(shí)臨時(shí)使用。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(chēng)、代碼及地址如表 32 所示。AC。壓力變送器將測(cè)得的管網(wǎng)壓力輸入 PLC 的擴(kuò)展模塊 EM235 的模擬量輸入端口作為模擬量輸入；開(kāi)關(guān) SA1 用來(lái)控制白天/夜間兩種模式之間的切換，它作為開(kāi)關(guān)量輸入 ；液位變送器把測(cè)得的水池水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)后送入窗口比較器，在窗口比較器中設(shè)定水池水位的上下限，當(dāng)超出上下限時(shí)，窗口比較其輸出高電平 1，送入 ；變頻器的故障輸出端與 PLC 的 相連，作為變頻器故障報(bào)警信號(hào)；開(kāi)關(guān) SB7 與 相連作為試燈信號(hào)，用于手動(dòng)檢測(cè)各指示燈是否正常工作。~分別輸出三臺(tái)水泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行信號(hào)； 輸出水位超限報(bào)警信號(hào)； 輸出變頻器故障報(bào)警信號(hào)； 輸出白天模式運(yùn)行信號(hào)； 輸出報(bào)警電鈴信號(hào)；輸出變頻器復(fù)位控制信號(hào)；AQW0 輸出的模擬信號(hào)用于控制變頻器的輸出頻率。北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 18 頁(yè)4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析硬件連接好之后，系統(tǒng)的控制功能要由軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合系統(tǒng)的控制要求，對(duì)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)量管理為了實(shí)現(xiàn)水壓恒定，在水壓降落時(shí)需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。為正確判斷變頻器工作頻率達(dá)上限值，應(yīng)排除偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中應(yīng)考慮采取時(shí)間濾波。在本設(shè)計(jì)中，控制要求中規(guī)定任一臺(tái)泵連續(xù)變頻運(yùn)行不得超過(guò) 3h，因此每次啟動(dòng)新水泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵是合理的。泵組管理的另外一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，本設(shè)計(jì)中采用泵號(hào)加 1 的方法實(shí)現(xiàn)變頻泵循環(huán)控制；用工頻運(yùn)行泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。為了節(jié)省掃描時(shí)間，可采用初始化子程序完成系統(tǒng)初始化工作。泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合及報(bào)警處理等由主程序控制實(shí)現(xiàn)。白天模式系統(tǒng)設(shè)定北 京 航 空 航 天 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 第 19 頁(yè)值為滿量程的 90%，夜間模式系統(tǒng)設(shè)定值為滿量程的 70%。表 41　程序中使用的 PLC 元件及其功能器件地址 功 能 器件地址 功 能VD100 過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T37 工頻泵增泵濾波時(shí)間控制VD104 壓力給定值 T38 工頻泵減泵濾波時(shí)間控制VD108 PID 計(jì)算值 故障結(jié)束脈沖信號(hào)VD112 比例系數(shù) Kc 水泵變頻啟動(dòng)脈沖(增泵)