【正文】 口運(yùn)算器控制器系統(tǒng)程 （ RO M ）用戶程序 ( RAM )微處理器 ( CPU )存儲(chǔ)器主機(jī)輸入設(shè)備輸出設(shè)備編程器磁帶機(jī)打印機(jī)EPRO M 寫字機(jī)圖形監(jiān)控系統(tǒng)外圍設(shè)備PLC 或上位計(jì)算機(jī)擴(kuò)展單元 9 編程器。 三菱 FX2N的主要特點(diǎn)：較高的可靠性；豐富的指令集；豐富的內(nèi)置集成功能；實(shí)時(shí)特性強(qiáng)和強(qiáng)大的通信能力。由于目前 I/O 點(diǎn)數(shù)較多的 PLC 價(jià)格也較高，若備用的 I/O 點(diǎn)是數(shù)量太多，將使成本增加。 根據(jù)系統(tǒng)要求和功能 ，本系統(tǒng)選用 FX2N32MR型 PLC。 水泵和電動(dòng)機(jī)是供水系統(tǒng)的重要組成部分，水泵選擇恰當(dāng)與否和動(dòng)力有很大的關(guān)系，故須加以重視。 安裝臥式離心泵的泵站，平面尺寸較大而高度較低；立式軸流泵的泵站，情況正好相反，泵站的高度較大而平面尺寸較小。 選用多臺(tái)水泵時(shí)，水泵的型號(hào)最好相同，這可便于安裝和維修養(yǎng)護(hù)管理。使用多臺(tái)水泵供水可防止一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，停止供水 ， 使得系統(tǒng)癱瘓。 綜合上述，對(duì)水泵進(jìn)行選用時(shí)，要根據(jù)供水系統(tǒng)對(duì)流量的大小、揚(yáng)程的高低和 10 實(shí)際需要進(jìn)行選擇。要使泵組常處于高效區(qū)運(yùn)行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。 變頻器可分為交 直 交變頻器和交 交變頻器兩類。交 交變頻器將電網(wǎng)的交流電直接變?yōu)殡妷汉皖l率都可調(diào)的交流電。本文 選用 交 直 交變頻器 [4]。 變頻器的型號(hào)很多，選擇合適的變頻器對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有很大的幫助。在選擇變頻器容量時(shí)，有以下情況需要考慮： (1) 變頻器驅(qū)動(dòng)的是單一電動(dòng)機(jī)，還是驅(qū)動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)。 (3) 驅(qū)動(dòng)多個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)，是同時(shí)啟動(dòng)還是分別啟動(dòng) ， 大多數(shù)情況下是使用變頻器驅(qū)動(dòng)單一的電動(dòng)機(jī)，并且是軟啟動(dòng)，這時(shí)候變頻器額定電流選擇為電動(dòng)機(jī)的額定電流的 ～ 倍 。這時(shí)候變頻器額定電流的選擇為多個(gè)電動(dòng)機(jī)中最大電動(dòng)機(jī)額定電流～ 倍。因電機(jī)的計(jì)算功率小于所選用功率，根據(jù)變頻器的容量的選擇方法進(jìn)行計(jì)算。該變頻器采用先進(jìn)磁通矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)調(diào)整功能，調(diào)速比可達(dá) 1： 120（ ～ 60Hz） ；可拆御風(fēng)扇和接線端子，維護(hù)方便；柔性 PWM， 實(shí)現(xiàn)更低噪音運(yùn)行；內(nèi)置 RS485通信口，可插擴(kuò)展卡符合全世界主要通信標(biāo)準(zhǔn)； PID等各種功能適合各種應(yīng)用場(chǎng)合。 表 22 變頻器的參數(shù) 表 變頻器 適用電機(jī)容量（ KW） 輸出額定容量 (KVA) 輸出額定電流（ A） 過(guò)載能力 電源額定輸入交流電壓 /頻率 冷卻 方式 FRE540 （三菱） 12 150% 60s ，200% 3相 ， 380V~480V 50Hz/60Hz 強(qiáng)制 風(fēng)冷 12 變頻器的接線 管腳 STF接 PLC的 Y7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(guò) FU和 OL輸出至 PLC的 X2與 X3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(guò)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(lái)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(guò)程本身沒(méi)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(wú)偏差、精度高和系統(tǒng)穩(wěn)定的控制過(guò)程。 13 圖 24 PID控制框圖 通過(guò)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(jiàn)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。 壓力傳感器 壓力傳感器作用是通過(guò)安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號(hào)變成4～ 20mA 變化的電流信號(hào)或 0～ 5V 間變化的電 壓信號(hào) 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，得出一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上。當(dāng)供水負(fù)載變化時(shí)，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨之變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該 傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的力－電轉(zhuǎn)換。 14 該傳感器的量程為 0～ ，工作溫度為 5℃ ～ 60 ℃ ， 供電電源為 28177。 圖 25 傳感器的接線圖 FXON3A 模塊 模塊介紹 FXON3A 模擬 特殊功能模塊有兩個(gè)輸入通道和一個(gè)輸出通道。 FXON3A 的最大分辨率為 8 位。 所有數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設(shè)置都是通過(guò)應(yīng)用到 PLC 中的 TO/FROM 指令，通過(guò)FXON3A 的軟件控制調(diào)節(jié)的。 FXON3A 在 PLC 擴(kuò)展木線上占用 8 個(gè) I/O 點(diǎn)， 8 個(gè) I/O 點(diǎn)可以分配給輸入或輸出。然而，在連接了下述特殊功能塊的情況下，有下列限制。 可供下述 特 殊功能塊的消耗電流 ≦ 190mA。 可供下述特殊功能塊的消耗電流 ≦ 300mA。 FX0N/1N： 主單元和帶電源的擴(kuò)展單元 .不管系統(tǒng) I/O 如何，可供下述特殊功能塊至少可以 連接 2個(gè) 。連接到 FX2N 或 FX2NC 主單元或 FX2N 擴(kuò)展單元的所有特殊功能塊總共 5V 的消耗絕不能超過(guò)系統(tǒng)的 5V 電壓電源 容量 。 FROM/TO 指令 應(yīng)用 FXON3A 是一種模擬量輸入輸出模塊，它應(yīng)用時(shí)作為特殊功能模塊與可編程控制器相連接。 (1) 讀特殊功能模塊（ FROM 指令） 。 (2) 16位 /32 位指令 。 操作數(shù) 如圖 26 所示。 特殊功能模塊應(yīng)用時(shí)是連接在可編程控制器右邊的擴(kuò)展總線上的。 圖 27 特殊功能模塊號(hào) 16 m2：緩沖存儲(chǔ)器（ BFM）號(hào)（范圍 0～ 31） 。緩沖存儲(chǔ)器的編號(hào)為 031。 n：傳送點(diǎn)數(shù)，用 n 指定傳送的字點(diǎn)數(shù)。 圖 28 FROM指令使用說(shuō)明 （ 3） FROM 指令的說(shuō)明 當(dāng) X0=OFF 時(shí)， FROM 指令不執(zhí)行。表示如 圖 29 所示。 16 位 /32 位指令 。 操作數(shù) 如圖 210 所示。 TO 指令的使用說(shuō)明 如圖 211 所示。 當(dāng) X0=ON 時(shí)，將可編程控制器中以 D10 開(kāi)始的 2個(gè)數(shù)據(jù)寫入 0 號(hào)特殊功能模塊內(nèi)以 10 號(hào)緩沖存儲(chǔ)器（ BFM10）開(kāi)始的 2個(gè)緩沖存儲(chǔ)器中。 圖 212 T0指令表現(xiàn)形式 18 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電氣控制主電路 圖 31 電氣控制圖 電機(jī)有兩種工作模式：在工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。 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(guò)載保護(hù)。使用中，由于電流超過(guò)允許值產(chǎn)生的熱量使串接于主電路中的熔體熔化而切斷電路，防止電氣設(shè)備短路和嚴(yán)重過(guò)載。 . 19 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) PLC 控制 流程 PLC 工作流程如圖 32 所示。如果是手動(dòng)運(yùn)行模式則進(jìn)行手動(dòng)操作，人們根據(jù)自己的需要操作相應(yīng)的按鈕，系統(tǒng)根據(jù)按鈕執(zhí)行相應(yīng)操作。 控制系統(tǒng)的 I/O 分配及系統(tǒng)接線 (1) I/O 分配 PLC 輸入、輸出分配表見(jiàn)表 31。根據(jù)控制要求及 I/O 分配，控制系統(tǒng)的接線圖如圖 32所示。 21 PLC 控制 程序 設(shè)計(jì) 圖 34 啟動(dòng)控制 如圖 34 所示 ， M8002 常開(kāi)觸點(diǎn)，僅在 PLC 運(yùn)行開(kāi)始時(shí)接通一個(gè)掃描周期。把 K50賦值給 T1，設(shè)置啟動(dòng)報(bào)警時(shí)間 5s。同時(shí)，語(yǔ)句轉(zhuǎn)到 P20 地址，啟動(dòng)報(bào)警 ,或者過(guò)壓時(shí)同樣啟動(dòng)報(bào)警。 把 k0 寫入 0模塊 BFM17中，設(shè)置通 道 CH0，把 k2 賦值給 0模塊 BFM17 中，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)化成的數(shù)據(jù)量 0模塊 BFM0 中的數(shù)據(jù)讀取到 D160 中。 M8000 常開(kāi)觸點(diǎn)， PLC 運(yùn)行時(shí)一直接通。完成模擬量輸出。把 D160 的數(shù)據(jù)除以 k25，把余數(shù)存到 D102 中，商存到 D101 中，進(jìn)行壓力值校正。 圖 37 PID運(yùn)算 如圖 37 所示 ， M8000 常開(kāi)觸點(diǎn)， PLC 運(yùn)行時(shí)一直接通。把 k1 賦值給 D121，設(shè)定動(dòng)作方向。把 k70 賦值給 D123，設(shè)定比例系數(shù)。把 K10 賦 值給 D125，設(shè)定積分增益。 圖 38 手動(dòng) 與 自動(dòng)跳轉(zhuǎn) 如圖 38 所示 ， 通過(guò)觸摸屏手動(dòng)啟動(dòng) 1泵（ M100 為 1）， M501 自鎖保護(hù)。 M500 為 1，進(jìn)入自動(dòng)啟動(dòng) 模式。 23 圖 39 指示燈及故障報(bào)警 如圖 39 所示 ， Y000 為 1，（ 1泵啟動(dòng)）， 1泵水流開(kāi)關(guān)閉合，把 T20 的時(shí)間設(shè)為 3s，同理， Y001 為 1，（ 2泵 啟動(dòng)）， 2泵水流開(kāi)關(guān)閉合，把 T21 的時(shí)間設(shè)為 3s。延遲時(shí)間到， T T21 產(chǎn)生一個(gè)上升沿脈沖信號(hào)， Y004 設(shè)為1（報(bào)警器警報(bào)），同時(shí)設(shè)定計(jì)數(shù)器。重置 Y004 和 C100 都為 0。當(dāng) T20 或 T21 接受到上脈沖時(shí)，系統(tǒng)故障報(bào)警。 1泵運(yùn)行，或 2泵運(yùn) 行，把 D10的值賦值給 T10 設(shè)定時(shí)間，預(yù)置時(shí)間結(jié)束， T10 接觸器為 1，變頻器正轉(zhuǎn)啟動(dòng)端子 STF。 1 號(hào)水泵和 2號(hào)水泵不能同時(shí)運(yùn)行。 按下“停止” ， M102 得電斷開(kāi)， 1號(hào)水泵或 2 號(hào)水泵停止運(yùn)行。 END 程序結(jié)束。 變頻 恒壓供水系統(tǒng)以 PLC和變頻器為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助于 PLC強(qiáng)大而靈活的控制功能和內(nèi)置 PID的變頻器優(yōu)良的變頻調(diào)速性能，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的控制。 變頻 恒壓供水在日常生活中非常重要，基于 PLC和變頻器技術(shù)設(shè)計(jì)的 變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)可靠性高、效率高、節(jié)能效果顯著、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速 度快。 目前在國(guó)內(nèi)外變頻 恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時(shí)兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 的變頻恒 壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制的研究還是不夠的。 27 致 謝 大學(xué)本科的四年學(xué)習(xí)生活，在愉快而緊張中轉(zhuǎn)眼也要告以段落了。在此，我致以衷心的感謝和誠(chéng)摯的敬意！ 我在選題和 設(shè)計(jì) 中得到了 梅秋燕 老師的耐心指導(dǎo)和無(wú)私的幫助，她在課題 設(shè)計(jì) 的過(guò)程中，給予 我們 大量有啟發(fā)性的指導(dǎo)。在此，作者表示深深的謝意。在此，誠(chéng)摯的感謝四年來(lái)默默為我們付出的 機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院的所有 老師，感謝多年來(lái)一直在背后默默支 持我的父母，是你們無(wú)言的關(guān)懷、鼓勵(lì)和寬容，才使我有了這樣的動(dòng)力， 沒(méi)有你們，也就沒(méi)有