【正文】 頻控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將反饋回來的信號與設(shè)定壓力進(jìn)行比較和運(yùn)算，如果實(shí)際壓力比設(shè)定壓力低，則發(fā)出指令控制水泵加速運(yùn)行，如果實(shí)際壓力比設(shè)定壓力高，則控制水 泵減速運(yùn)行，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時，水泵就維持在該運(yùn)行頻率上。若兩臺泵運(yùn)行仍不能保證管南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 3 網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運(yùn)行，而將下一臺泵投入變頻運(yùn)行。當(dāng)上述兩個信號仍存在時， PLC 再停下一臺工頻運(yùn)行的泵，直到最后一臺泵用主變頻器恒壓供水。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由 變頻器 、泵組電機(jī)、供水管網(wǎng)、儲水箱、 (智能 PID調(diào)節(jié)器 )、壓力變送器、 PLC 控制 單元等部分組成，控制系統(tǒng)原理圖如圖 11 所示。壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓。 PLC 控制 單元則是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是 變頻器 的驅(qū)動 控制 ，根據(jù)用水量的實(shí)際變化，自動調(diào)整其它工頻泵的運(yùn)行臺數(shù)。水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動 , 消除了對電網(wǎng) 、 電氣 設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的沖擊，延長機(jī)電設(shè)備的使用壽命。 同時它的功能可以被變頻器的某些功能代替，達(dá)到同樣的控制效果。 圖 12 恒壓供水系統(tǒng) 控制 原理框圖 二 全自動變頻恒壓供水系統(tǒng)特點(diǎn)及適用范圍 系統(tǒng)特點(diǎn) : (1)高效節(jié)能。 (2)對電網(wǎng)沖擊小，保護(hù)功能完善。 (3)人機(jī)界面觸摸面板操作，設(shè)計(jì)參數(shù)靈活方便。 (4)定時喚醒功能。對于同流量的多臺水泵，為使各泵平均工作時間相同，須設(shè)置定時換泵功能。換泵時間可任意設(shè)定。突然停電后再來電，設(shè)備能夠自動啟動運(yùn)行。 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 6 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備 可編程控制器 可編程控制器的介紹 最初，可編程邏輯控制器（ Programmable Logic Controller）簡稱 PLC,主要用于順序控制，雖然采用了計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想，但是實(shí)際上只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算。 國際電工委員會（ IEC）于 1987 年對 PLC 定義為： PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，是帶有存儲器，可以編制程序的控制器。PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體，易于擴(kuò)展其功能的原則設(shè)計(jì)。因此， PLC 實(shí)際上就是：“工業(yè)專用計(jì)算機(jī)” 可編程控制器的特點(diǎn) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。例如三菱公司生產(chǎn)的 F 系列 PLC 平均無故障時間高達(dá) 30 萬小時。從 PLC 的機(jī)外電路來說，使用 PLC 構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。在應(yīng)用軟件中，應(yīng) 用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC 以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC 大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC 組成各種控制系 統(tǒng)變得非常容易。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。 體積小，重量輕，能耗低 以超小型 PLC 為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于 100mm，重量小于 150g，功耗僅數(shù)瓦。 可編程控制器 PID 控制原理與特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的 調(diào)節(jié) 器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié) 。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。 (1)比例（ P）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystateerror）。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ SystemwithSteadystateError）。積分項(xiàng)對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)會增大。因此，比例 積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的 調(diào)節(jié) 過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié) 過程中的動態(tài)特性。 FX2N 的 PID 功能 指令 說明 如圖 21所 示 。 PLC 硬件結(jié)構(gòu)如圖 22所示。 ②、存儲器 可編程控制器配有兩種存儲器：系統(tǒng)存儲器 (ROM)和用戶存儲器 (RAM)。用戶存儲器：存放用戶編制的應(yīng)用程序和工作數(shù)據(jù)。 A)輸入接口 輸入接口電路用來接收和采集現(xiàn)場輸入信號，輸入回路中公共點(diǎn) COM 通過輸入元件連接到對應(yīng)的輸入點(diǎn)上，再通過輸入繼電器將輸入元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成 CPU 能夠識別和處理的信號，并存儲 到輸入映像寄存器中。 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 10 圖 23 PLC 輸入回路接線 B)輸出接口 輸出接口電路就是 PLC 的負(fù)載驅(qū)動回路，通過輸出接口，將負(fù)載和負(fù)載電源連接成一個回路，這樣負(fù)載就由 PLC 輸出接口的 ON/OFF 進(jìn)行控制，輸出接口為 ON 時，負(fù)載得到驅(qū)動。 圖 24 PLC 輸出回路接線 (2).PLC 的軟件組成 PLC 的軟件由 系統(tǒng)監(jiān)控程序和用戶軟件程序 組成。系統(tǒng)監(jiān)控程序分成管理程序、用戶指令解釋程序、標(biāo)準(zhǔn)程序或系統(tǒng)調(diào)用子程序。它是用梯形圖或某種 PLC 指令助記符編制而成的，可以是梯形圖、指令表、高級語言、匯編語言等，南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 11 其助記符形式 PLC 型號的不同而略有不同。 PLC 的工作原理 (1)PLC 控制邏輯的實(shí)現(xiàn) PLC 是一種工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，其工作原理是建立在計(jì) 算機(jī)工作原理之上的，是通過執(zhí)行反應(yīng)控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制的。 (2)PLC 的工作方式 采用循環(huán)掃描方式。 注意：由于 PLC 是掃描工作過程，在程序執(zhí)行階段即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)映象寄存器的內(nèi)容也不會變化，要等到下一周期的輸入處理階段才能改變。 圖 25 PLC 循環(huán)掃描過程 (3)PLC 的工作過程 內(nèi)部處理 通信操作 輸入處理 程序執(zhí)行 輸出處理 停止 南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于 PLC的 恒壓供水系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 12 PLC 的工作過程主要分為內(nèi)部處理、通信操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個階段。 2）通信服務(wù)階段 在此階段， PLC 與一 些智能模塊通信、響應(yīng)編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等，當(dāng) PLC 處于停狀態(tài)時，只進(jìn)行內(nèi)容處理和通信操作等內(nèi)容。在此階段順序讀入所有輸入端子的通斷狀態(tài)，并將讀入的信息存入內(nèi)存中所對應(yīng)的映象寄存器。 4）程序執(zhí)行 根據(jù) PLC 梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執(zhí)行程序。若用戶程序涉及到輸入輸出狀態(tài)時， PLC從輸入映象寄存器中讀出上一階 段采入的對應(yīng)輸入端子狀態(tài)，從輸出映象寄存器讀出對應(yīng)映象寄存器的當(dāng)前狀態(tài)。 5）輸出處理 程序執(zhí)行完畢后，將輸出映象寄存器，即元件映象寄存器中的 Y寄存器的狀態(tài)，在輸出處理階段轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅(qū)動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅(qū)動外部負(fù)載。 即將模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給 PLC,以實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的控制。圖中模擬量信號采用雙絞屏蔽電纜輸入FX2N－ 4AD 中，電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電源線或其他可能產(chǎn)生電氣干擾的導(dǎo)線。 FX2N4AD 的 4 個輸入通道（ CH1～ CH4）通過輸入端子接線，可以選擇為電壓輸入或電流輸入。 FX2N4AD 接地端應(yīng)與 PLC 主單位接地端連接，如果存在過多的電氣干擾，還應(yīng)將外殼地端 FG 和 FX2N4AD 接地端連接。 屏蔽V+I+VIFG屏蔽V+I+VIFG24+24 電流輸入20 +20mA 電壓輸入10 +10V輸入通道4 CH4輸入通道1 CH1 外接電源 DC24V177。 A/D 轉(zhuǎn)換原理框圖 如圖 27所示。 FX2N4DA 的外部接線 FX2N－ 4DA 的外部接線 如圖 28 所示。如果輸出電壓波動或在外部接線中有電氣干擾，可以接一個 ～ 的平滑電容。電壓輸出端子為 V+和 VI；電流輸出端子 I+和 VI。其外部接線如圖 28所示。 D/A 轉(zhuǎn)換原理框圖如圖 29 所示。交 交變頻器可將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱為直接式變頻器。然后再把直流電變換成頻率、電壓均可控制的交流電．又稱間接式變頻器。 （ 2）直流中間電路 直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進(jìn)行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。無論是電動機(jī)處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)總不會為 1。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件 (電容器或電抗器 )來緩沖。 （ 3）逆變器 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。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護(hù)功能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成．直流中間電路的儲能元件在整流電路是電壓源時是大容量的電解電容，在整流電路是電流源時是大容量的電感。逆變電路最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用 6個半導(dǎo)體主開關(guān)器件組成的三橋式逆變電路?，F(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計(jì)算機(jī)，全數(shù)字化控制為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件保障。即 N=KN3 N：為水泵消耗功率； n：為水泵運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速； K為比例系數(shù)。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，