【正文】 入，數(shù)字量輸出的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口端另接一塊PWM調(diào)制板，將可編程控制器輸出的數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量。如果采用一個(gè)開關(guān)量輸入，輸出的可編程控制器和一個(gè)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。 新型變頻調(diào)速供水設(shè)備針對(duì)傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國(guó)內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家近年來紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品，如華為的TD2100；施耐德公司的Altivar58泵切換卡；SANKEN的SAMCO— I系列；ABB公司的ACS600、ACS400系列產(chǎn)品；富士公司的GIIS／PIIS系列產(chǎn)品；等等。由于PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去了對(duì)可編程控制器存貯容量的要求和對(duì)PID算法的編程，而且PID參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡(jiǎn)單、方便。 供水系統(tǒng)方案圖 第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 系統(tǒng)的構(gòu)成 系統(tǒng)原理圖，整個(gè)系統(tǒng)由三臺(tái)水泵，一臺(tái)變頻調(diào)速器，一臺(tái)PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、以及報(bào)警裝置等部分組成。恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。(2)信號(hào)檢測(cè)在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來水出水水壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào):①水壓信號(hào):它反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。該信號(hào)為開關(guān)量信號(hào)。①供水控制器:它是整個(gè)變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心。②變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。③電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開關(guān)等電氣元件組成。(4)人機(jī)界面人機(jī)界面是人與機(jī)器進(jìn)行信息交流的場(chǎng)所。人機(jī)界面還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行監(jiān)示，對(duì)報(bào)警進(jìn)行顯示。(6)報(bào)警裝置作為一個(gè)控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。 工作原理合上空氣開關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。根據(jù)壓力設(shè)定值(根據(jù)管網(wǎng)壓力要求設(shè)定)與壓力實(shí)際值(來自于壓力傳感器)的偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，并輸出頻率給定信號(hào)給變頻器。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率到達(dá)信號(hào)送給PLC，PLC則根據(jù)管網(wǎng)壓力的上、下限信號(hào)和變頻器的運(yùn)行頻率是否到達(dá)上限的信號(hào)，由程序判斷是否要起動(dòng)第2臺(tái)泵(或第3臺(tái)泵)。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過由遠(yuǎn)傳壓力表送來的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算、判斷，進(jìn)一步控制變頻器的運(yùn)行頻率，使管壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限偏差范圍之內(nèi)。開始時(shí)，1泵電機(jī)在PLC控制下先投入調(diào)速運(yùn)行，其運(yùn)行速度由變頻器調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過程。如果還沒到達(dá)設(shè)定值，則繼續(xù)按照以上步驟將2泵切換到工頻運(yùn)行，控制3泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)供水壓力大于預(yù)置值時(shí)，變頻器輸出頻率降低，水泵速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)，如果供水壓力仍大于預(yù)置值，則將下一臺(tái)水泵由工頻運(yùn)行切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行，并繼續(xù)減泵工作過程。 變頻恒壓供水系統(tǒng)加減水泵的條件分析在上面的工作流程中，我們提到當(dāng)一臺(tái)調(diào)速水泵己運(yùn)行在上限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時(shí)需要增加恒速水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過于頻繁的切換。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運(yùn)行的水泵電機(jī)要切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，只能在50Hz時(shí)進(jìn)行。當(dāng)變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達(dá)50Hz時(shí)，即使實(shí)際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0Hz。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。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(chǎng)所有關(guān)，一般在20Hz左右。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實(shí)需要機(jī)組進(jìn)行切換的時(shí)候才進(jìn)行機(jī)組的切換。如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說明判別條件的滿足只是暫時(shí)的，如果進(jìn)行機(jī)組切換將可能引起一系列多余的切換操作。KM KM KM5 分別控制電動(dòng)機(jī)MM M3 變頻運(yùn)行[3]。熱繼電器(FR)是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中的用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)熔斷器（FU）是電路中的一種簡(jiǎn)單的短路保護(hù)裝置。 可編程控制器 PLC簡(jiǎn)介可編程控制器是60年代末在繼電器系統(tǒng)上發(fā)展起來的，當(dāng)時(shí)稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC[4]。繼電器是一種用弱電信號(hào)控制強(qiáng)電信號(hào)的電磁開關(guān)，但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，故障的查找和排除非常困難，不適應(yīng)于工藝要求發(fā)生變化的場(chǎng)合?？删幊炭刂破骶哂胸S富的輸入/輸出接口，并具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，但它的產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，其靈活標(biāo)準(zhǔn)的配置能夠適應(yīng)工業(yè)上的各種控制。 PLC的硬件結(jié)構(gòu)框圖可編程邏輯控制器，采用的是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，最初主要用于順序控制，只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算?，F(xiàn)在的PLC已不只是開關(guān)量控制，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了順序控制、邏輯控制的范圍,具備了模擬量控制、過程控制以及遠(yuǎn)程通信等強(qiáng)大功能。事實(shí)上與所有的器件一樣，PLC本身也有其局限性，它無法向操作者顯示動(dòng)態(tài)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)，無法進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)的存貯與轉(zhuǎn)化，尤其是當(dāng)系統(tǒng)工藝改變時(shí)，無法方便、快速地改變相關(guān)參數(shù)、配方。 PLC的特點(diǎn)現(xiàn)代可編程控制器不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量的邏輯控制，還具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)學(xué)處理、運(yùn)動(dòng)控制、模擬量PID控制、通信網(wǎng)絡(luò)等功能。歸納可編程控制器主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：(1）編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)。(3）硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)。(5）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少。 PLC輸入輸出端子分配表 輸入分配表輸入端子輸入設(shè)備輸入端子輸入設(shè)備輸入端子輸入設(shè)備X0SB1X4SB5X10SB9X1SB2X5SB6X11SB10X2SB3X6SB7X15FUX3SB4X7SB8X16OLX0接SB1啟動(dòng)按鈕，X1接SB2停止按鈕，X2接SB3電動(dòng)機(jī)M1變頻啟動(dòng)，X3接SB4電動(dòng)機(jī)M1工頻啟動(dòng)，X4接SB5電動(dòng)機(jī)M2變頻啟動(dòng)，X5接SB6電動(dòng)機(jī)M2工頻啟動(dòng)，X6接SB7電動(dòng)機(jī)M3變頻啟動(dòng)，X7接SB8電動(dòng)機(jī)M3工頻啟動(dòng)，X10接SB9自動(dòng)啟動(dòng)，X11接SB10手動(dòng)啟動(dòng)，頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過OL和FU輸出至PLC的X15與X16輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào) 輸出分配表輸出端子輸出設(shè)備輸出端子輸出設(shè)備輸出端子輸出設(shè)備Y0KM0Y5KM5Y13HL4Y1KM1Y6KM6Y14HL5Y2KM2Y10HL1Y15HL6Y3KM3Y11HL2Y16HL7Y4KM4Y12HL3Y20STFKM0接通電動(dòng)機(jī)M1變頻啟動(dòng)，KM1接通電動(dòng)機(jī)M1工頻啟動(dòng)，KM2接通電動(dòng)機(jī)M2變頻啟動(dòng)，KM3接通電動(dòng)機(jī)M2工頻啟動(dòng)，KM4接通電動(dòng)機(jī)M3變頻啟動(dòng)，KM5接通電動(dòng)機(jī)M3工頻啟動(dòng)，KM6接通變頻器，HL1指示電動(dòng)機(jī)M1變頻啟動(dòng)，HL2指示電動(dòng)機(jī)M1變工頻啟動(dòng)，HL3指示電動(dòng)機(jī)M2變頻啟動(dòng)，HL4指示電動(dòng)機(jī)M2工頻啟動(dòng)，HL5指示電動(dòng)機(jī)M3變頻啟動(dòng)，HL6指示電動(dòng)機(jī)M3工頻啟動(dòng)。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進(jìn)行控制[5]。對(duì)于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場(chǎng)合，運(yùn)算還應(yīng)包含由變頻器主電路和傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)出來的信號(hào)和保護(hù)電路信號(hào)，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損失外，還應(yīng)保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)等。其主電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸引在整流和逆變時(shí)產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。(1)整流器最近大量使用的是二極管的交流器，它把工頻電源變換為直流電源。(2）平波回路在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。[5]韓安榮. ，1999: 1535[6]王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)第四版. 機(jī)械工業(yè)出版社，：4366裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。(4）制動(dòng)回路異步電動(dòng)機(jī)在再生制動(dòng)區(qū)域使用時(shí)（轉(zhuǎn)差率為負(fù)），再生能量?jī)?chǔ)存于平波回路電容器中，使直流電壓升高。 典型的電壓型逆變器一例給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，稱為控制電路。，僅以控制電路A部分構(gòu)成控制電路時(shí)，無速度檢測(cè)電路，為開環(huán)控制。控制電路主要包括：(1）運(yùn)算電路將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、功率。(3）驅(qū)動(dòng)電路為驅(qū)動(dòng)主電路 器件的電路。(4）速度檢測(cè)電路以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸上的速度檢測(cè)器（TG、PLG等）的信號(hào)為速度信號(hào)送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。保護(hù)回路主要包括：(1）瞬時(shí)過電壓保護(hù)由于逆變器負(fù)載側(cè)短路等，流過逆變器器件的電流達(dá)到異常值（超過容許值）時(shí)，瞬時(shí)停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷電流。(2）過載保護(hù)逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達(dá)規(guī)定的時(shí)間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運(yùn)轉(zhuǎn)。過負(fù)載是由于負(fù)載的GD2（慣性）過大或因負(fù)載過大使電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的。可以采取停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)或停止快速減速的辦法，防止過電壓。但瞬時(shí)停電時(shí)間在10ms以上時(shí)，通常會(huì)使控制電路誤動(dòng)作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。但為了確保人身安全，需要轉(zhuǎn)設(shè)漏電斷路器。(1）過載保護(hù)過載檢出裝置與逆變器保護(hù)共用，但考慮低速運(yùn)轉(zhuǎn)的過熱時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋入溫度傳感器，或者利用轉(zhuǎn)在逆變器內(nèi)的電子熱保護(hù)來檢出過熱。(2）超頻（超速）保護(hù)逆變器的輸出頻率或者異步電動(dòng)機(jī)的速度超過規(guī)定值時(shí)，停止逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，在負(fù)載電流減小之前要進(jìn)行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。 (2）防止失速再生過電壓減速時(shí)產(chǎn)生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護(hù)電路動(dòng)作，在直流電壓下降之前要進(jìn)行控制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。能實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)，減小電氣和機(jī)械沖擊噪音，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。(4)由于變頻恒壓調(diào)速直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，大大降低水質(zhì)污染的可能性：眾所周知南方氣候炎熱潮濕細(xì)菌和微生物極易繁殖和滋生尤其是高位水箱很容易生紅蟲必須定期清洗改用變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備后只需一個(gè)低位水箱原來也有將水質(zhì)污染降到最低限度。 變頻器的選型與接線根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)選用FRA540系列變頻器管腳STF接PLC的Y16管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過FU和OL輸出至PLC的X15與X16輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào)。為了消除殘留偏差，一般采用增加I動(dòng)作的PI控制。但是， I動(dòng)作過強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差響應(yīng)遲緩。對(duì)于PD控制，發(fā)生偏差時(shí)，很快產(chǎn)生比單獨(dú)D動(dòng)作還要大的操作量，以此來抑制偏差的增加?？刂茖?duì)象含有積分元件的負(fù)載場(chǎng)合，僅P動(dòng)作控制，有時(shí)由于此積分元件的作用，系統(tǒng)發(fā)生振蕩。換言之，該種控制方式適用于過程本身沒有制動(dòng)作用的負(fù)載。采用PID控制較其它組合控制效果要好，基本上能獲得無偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過程。 PID控制框圖通過對(duì)被控制對(duì)象的傳感器等檢測(cè)控制量(反饋量)，將其與目標(biāo)值(溫度、流量、壓力等設(shè)定值)進(jìn)行比較。也就是使反饋量與日標(biāo)值相一致的一種通用控制方式。在恒壓供水中常見的PID控制器的控制形式主要有兩種:(1)硬件型：即通用PID控制器，在使用時(shí)只需要進(jìn)行線路的連接和P、I、D參數(shù)及日標(biāo)值的設(shè)定。此次使用硬件型控制形式。 PID控制接線圖 壓力傳感器接線圖壓力傳感器使用CYYZ1001型絕對(duì)壓力傳感器。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。3V（DC）。 Inp=(～)Inm式中：Inp為熔斷器額定電流；Inm為電動(dòng)機(jī)額定電流。 熔斷器的選擇：根據(jù)上式中計(jì)算，熔斷器FU1是主電路的短路保護(hù)，主要含電動(dòng)機(jī)MMM3和變頻器的短路保護(hù)，Inp=(～)INMmax+∑INM+I，查變頻器的額定電流為17A，～[8]，額定電流是100A，選擇額定電流為80A的熔體，F(xiàn)U2，F(xiàn)U3，F(xiàn)U4分別為電動(dòng)機(jī)M1，M2,M3的短路保護(hù)，電機(jī)M1,M2,，Inm=2P得出，~，故選擇型號(hào)為[7]曹才開. 檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用中南大學(xué)出版社，2009：190210[8] **．：清華大學(xué)出版社，：附錄ARL160,額定電流是60A，選擇額定電流為30A的熔體?？蛇x用規(guī)格其型號(hào)為JR16—20/3D，額定電流20A，整定電流為15A。元件名稱符號(hào)型號(hào)數(shù)量可編程控制器PLCFX2N48MR1變頻器FRA540系列