基于plc的恒壓供水控制系統(tǒng)

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1、 摘要：水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的 現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層 建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。本論 文結(jié)合我國(guó)中小城市多層住宅小區(qū)的用水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào) 速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)，給出設(shè)計(jì)原理、控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，分析控制功能 和控制過(guò)程，完成可編程控制電路、變頻器電路等具體電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)控制系 統(tǒng)的程序框圖。采用PLC與變頻器作為控制核心，再加上壓力變送器，實(shí)現(xiàn)了 變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水控制效果非常好，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件接口簡(jiǎn)易可 行、可靠

2、性高，整個(gè)系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比非常高。 關(guān)鍵詞：PLC，變頻調(diào)速，恒壓，供水 1.緒論 泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需大量消耗能量，提高泵站效率，降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。目前， 泵站有很大一部分水泵電機(jī)是不變速拖動(dòng)系統(tǒng)， 原先用人工進(jìn)行水位控制， 由于無(wú)法每時(shí)每刻對(duì)水位進(jìn)行準(zhǔn)確的定位監(jiān)測(cè)， 很難準(zhǔn)確控制水泵的起停， 雖然使用浮標(biāo)或機(jī)械等水位控制裝置使供水狀況有了一些改變。 不變速電機(jī)的電能大多消耗在適應(yīng)供水量的變化而頻繁的開(kāi)停水泵中。 這樣不但使電機(jī)工作在低效區(qū)、 減短電機(jī)的使用壽命， 而且電機(jī)的頻繁開(kāi)停使設(shè)備故障率很高，機(jī)械裝置的故障多，可靠性差，導(dǎo)致水資源嚴(yán)重

3、浪費(fèi)，系統(tǒng)的維護(hù)、維修工作量較大。隨著高位生活用水和工業(yè)用水逐漸增多，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)落后。 國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組的方式，幾乎沒(méi)有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況，因而投資成本高。即1968年，丹麥的丹佛斯公司發(fā)明并首家生產(chǎn)變頻器(丹佛斯是傳動(dòng)產(chǎn)品全球五大核心供應(yīng)商之一)后，隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國(guó)外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開(kāi)始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像瑞典、瑞士的ABB集團(tuán)推出了HVAC變頻技術(shù)，法國(guó)的施耐德公司就推出了恒壓供水基板，備有“變

4、頻泵固定方式”，“變頻泵循壞方式”兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多七臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類(lèi)設(shè)備雖然說(shuō)是微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)(如BA系統(tǒng))和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)外品牌的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)

5、及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能以及開(kāi)放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)能達(dá)到所有用戶(hù)的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)〔森蘭牌變頻器)也推出了恒壓供水專(zhuān)用變頻器(2.2kw-30kw)，無(wú)需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循壞切換、定時(shí)起動(dòng)、停止和定時(shí)循環(huán)(月麥丹佛斯公司的VLT系列變頻器可實(shí)現(xiàn)七臺(tái)水泵機(jī)組的切換)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)操作不方便且不具有數(shù)

6、據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場(chǎng)所。 PLC與變頻器結(jié)合為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，可以解決水壓控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，變頻技術(shù)以其在節(jié)能與恒壓方面的優(yōu)越性能達(dá)到較好的控制效果。與傳統(tǒng)的交流拖動(dòng)系統(tǒng)相比，利用變頻器對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，有許多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)電、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制、可以實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效連續(xù)調(diào)速控制、實(shí)現(xiàn)速度的精確控制。 變頻器保護(hù)功能很強(qiáng)，在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)檢測(cè)到各種故障，并顯示故障類(lèi)別(如電網(wǎng)瞬時(shí)電壓降低，電網(wǎng)缺相， 直流過(guò)電壓，功率模塊過(guò)熱，電機(jī)短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種“自我保護(hù)”的功能，不僅保護(hù)了變頻器，還保護(hù)了電機(jī)不易損壞。由于要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情

7、況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，而 PLC 在軟件設(shè)計(jì)上編程簡(jiǎn)潔、直觀，PLC 的軟件中時(shí)間參數(shù)的調(diào)整更簡(jiǎn)單，這樣更有利于運(yùn)行人員掌握。 2.恒壓供水系統(tǒng) 2.1變頻恒壓供水系統(tǒng) 隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)生活飲用水品質(zhì)要求的不斷提高，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)及高層建筑的生活、消防供水中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用專(zhuān)用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品

8、質(zhì)量等有著重要意義。變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場(chǎng)合的供水要求，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn): (1)供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過(guò)程控制量，同其他一些過(guò)程控制量(如:溫度、流量、濃度等)一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。 (2)用戶(hù)管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N等因素的影響，同時(shí)又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)。 (3)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大

9、的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。 (4)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制(包括定量泉的停止和運(yùn)行)是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)時(shí)變化的。 (5)當(dāng)出現(xiàn)意外的情況(如突然停水、斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等)時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)行切換，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專(zhuān)門(mén)的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。 (6)水泵的電氣控制柜，其有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)

10、通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等功能。 (7)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可從零到電機(jī)額定電流，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。 2.2 課題研究的對(duì)象 圖2.1 供水流程簡(jiǎn)圖 此次設(shè)計(jì)研究的對(duì)象是一棟樓房的供水系統(tǒng)。這棟樓有24層，由于高層樓對(duì)水壓的要求高，在水壓低時(shí)，高層用戶(hù)將無(wú)法正常用水甚至出現(xiàn)無(wú)水的情況，水壓高時(shí)將造成能源的浪費(fèi)。如圖2.1所示，是這棟小樓的供水流程。自來(lái)水

11、廠送來(lái)的水先儲(chǔ)存的水池中再通過(guò)水泵加壓送給用戶(hù)。通過(guò)水泵加壓后，必須恒壓供給每一個(gè)用戶(hù)。 2.3 變頻恒壓供水控制方式的選擇 目前國(guó)內(nèi)變頻恒壓供水設(shè)備電控柜的控制方式有： 1．邏輯電子電路控制方式 這類(lèi)控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動(dòng)、全流量變頻調(diào)節(jié)，往往采用一臺(tái)泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻狀態(tài)的方式。因此，控制精度較低、水泵切換時(shí)水壓波動(dòng)大、調(diào)試較麻煩、工頻泵起動(dòng)時(shí)有沖擊、抗干擾能力較弱，但其成本較低。 2．單片微機(jī)電路控制方式 這類(lèi)控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)、不同供水情況時(shí)，調(diào)試較麻煩；追加功能時(shí)往往要對(duì)電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便。電路的可靠性和抗干擾能力都

12、不太好。 3．帶PID回路調(diào)節(jié)器或可編程序控制器(PLC)的控制方式 該方式變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測(cè)管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿(mǎn)足用戶(hù)需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)在輸入可編程控后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部PID控制程序的計(jì)算，輸出給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號(hào)和壓力反饋信號(hào)送入PID回路調(diào)節(jié)器，由PID回路調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)。 4．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(lái)紛紛推出了一系列

13、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。這些產(chǎn)品將PID調(diào)節(jié)器以及簡(jiǎn)易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)，形成了帶有各種應(yīng)用的新型變頻器。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。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。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)

14、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?？紤]以上四種方案后，此次計(jì)采用第四種方案。如圖2.2所示。 圖2.2 供水系統(tǒng)方案圖 2.4 變頻構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)的及工作原理 2.4.1 系統(tǒng)的構(gòu)成 圖2.3 系統(tǒng)原理圖 如圖2.3所示，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。三臺(tái)水泵中每臺(tái)泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺(tái)泵協(xié)調(diào)工作以滿(mǎn)足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測(cè)管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋0～5V電壓信號(hào))或壓力變送器(反饋4～20mA電流)；變頻器是供水系

15、統(tǒng)的核心，通過(guò)改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、無(wú)波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。 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。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶(hù)管網(wǎng)，圖2.3中的3個(gè)水泵分為二種類(lèi)型: 調(diào)速泵:是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。 恒速泵:水泵運(yùn)行只在工頻狀態(tài)，速度恒定。它們用于在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對(duì)供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。 (2)信號(hào)檢測(cè) 在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要檢測(cè)的信號(hào)包括自來(lái)水出水水

16、壓信號(hào)和報(bào)警信號(hào): ①水壓信號(hào):它反映的是用戶(hù)管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號(hào)。 ②報(bào)警信號(hào):它反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過(guò)載、變頻器是否有異常。該信號(hào)為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 (3)控制系統(tǒng) 供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個(gè)部分。 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。供水控制器直接對(duì)系統(tǒng)中的工況、壓力、報(bào)警信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)來(lái)自人機(jī)接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過(guò)變頻調(diào)速器和接觸器對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制。 ②變頻器:它是對(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元。變頻器跟

17、蹤供水控制器送來(lái)的控制信號(hào)改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對(duì)調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 ③電控設(shè)備:它是由一組接觸器、保護(hù)繼電器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等電氣元件組成。用于在供水控制器的控制下完成對(duì)水泵的切換、手/自動(dòng)切換等。 (4)通訊接口 通訊接口是本系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)該接口，系統(tǒng)可以和組態(tài)軟件以及其他的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)通過(guò)通訊接口，還可以將現(xiàn)代先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中來(lái)，例如可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的診斷和維護(hù)等 (5)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。由于本系統(tǒng)能適用于不同的供水領(lǐng)域，所以為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過(guò)載、變頻器報(bào)警

18、、電網(wǎng)過(guò)大波動(dòng)、供水水源中斷、出水超壓、泵站內(nèi)溢水等等造成的故障，因此系統(tǒng)必須要對(duì)各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由PLC判斷報(bào)警類(lèi)別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動(dòng)作控制，以免造成不必要的損失。 2.4.2 工作原理 合上空氣開(kāi)關(guān)，供水系統(tǒng)投入運(yùn)行。將手動(dòng)、自動(dòng)開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)上，系統(tǒng)進(jìn)入全自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，PLC中程序首先接通KM6，并起動(dòng)變頻器。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(lái)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。變頻器根據(jù)頻率給定信號(hào)及預(yù)先設(shè)定好的加速時(shí)間控制水泵的轉(zhuǎn)速以保證水壓保持在壓力設(shè)定值的上、下限范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)恒壓控制。同時(shí)變頻器在運(yùn)行頻率到達(dá)上限，會(huì)將頻率

19、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)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率達(dá)到頻率上限值，并保持一段時(shí)間，則PLC會(huì)將當(dāng)前變頻運(yùn)行泵切換為工頻運(yùn)行，并迅速起動(dòng)下1臺(tái)泵變頻運(yùn)行。此時(shí)PID會(huì)繼續(xù)通過(guò)由遠(yuǎn)傳壓力表送來(lái)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)。 增泵工作過(guò)程：假定增泵順序?yàn)閘、2、3泵。開(kāi)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)供水壓力小于壓力預(yù)置值時(shí)變頻器輸出頻率升高，水泵轉(zhuǎn)速上升，反之下降。當(dāng)變頻器的輸出頻率

20、達(dá)到上限，并穩(wěn)定運(yùn)行后，如果供水壓力仍沒(méi)達(dá)到預(yù)置值，則需進(jìn)入增泵過(guò)程。在PLC的邏輯控制下將1泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，1泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器與2泵電機(jī)連接， 控制2泵投入調(diào)速運(yùn)行。如果還沒(méi)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。 減泵工作過(guò)程：假定減泵順序依次為3、2、1泵。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(guò)程。如果在晚間用水不多時(shí)，當(dāng)最后一臺(tái)正在運(yùn)行的

21、主泵處于低速運(yùn)行時(shí)，如果供水壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)并啟動(dòng)輔泵投入調(diào)速運(yùn)行，從而達(dá)到節(jié)能效果。 2.4.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)中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(lái)滿(mǎn)足供水要求，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)調(diào)速水泵和恒速水泵都在運(yùn)行且調(diào)速水泵己運(yùn)行在下限頻率，此時(shí)管網(wǎng)的實(shí)際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時(shí)需要減少恒速水泉來(lái)減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。那么何時(shí)進(jìn)行切換，刁能使系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，同時(shí)使機(jī)組不過(guò)于頻繁的切換。 盡管通用變頻器的頻率都可以在0-400Hz范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，但當(dāng)它用在供水系統(tǒng)中

22、，其頻率調(diào)節(jié)的范圍是有限的，不可能無(wú)限地增大和減小。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。由于電網(wǎng)的限制以及變頻器和電機(jī)工作頻率的限制，50Hz成為頻率調(diào)節(jié)的上限頻率。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。要增加實(shí)際供水壓力，正如前面所講的那樣，只能夠通過(guò)水泵機(jī)組切換，增加運(yùn)行機(jī)組數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，變頻器的輸出頻率不能夠?yàn)樨?fù)值，最低只能是0Hz。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，變頻器的輸出頻率是不可能降低到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)

23、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)頻率在實(shí)際應(yīng)用中就是電機(jī)運(yùn)行的下限頻率。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。由于在變頻運(yùn)行狀態(tài)下，水泵機(jī)組中電機(jī)的運(yùn)行頻率由變頻器的輸出頻率決定，這個(gè)下限頻率也就成為變頻器頻率調(diào)節(jié)的下限頻率。 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。所謂延時(shí)判別，是指系統(tǒng)僅滿(mǎn)足頻率和壓力的判別條件是不夠的，如果真的要進(jìn)行機(jī)組切換，切換所要求的頻率和壓力的判

24、別條件必須成立并且能夠維持一段時(shí)間（比如1-2分鐘），如果在這一段延時(shí)的時(shí)間內(nèi)切換條件仍然成立，則進(jìn)行實(shí)際的機(jī)組切換操作;如果切換條件不能夠維持延時(shí)時(shí)間的要求，說(shuō)明判別條件的滿(mǎn)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。 2.5 PID控制原理 將偏差的比例((Proportional)、積分(Integral)和微分(Derivative))通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制器或PID調(diào)節(jié)器，是生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最普遍的控制方法。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可靠性高，特別是在控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難以建立的工業(yè)控制過(guò)程中，應(yīng)用更為廣泛。事實(shí)上， PI

25、D是一種負(fù)反饋控制，它以設(shè)定的控制目標(biāo)值與反饋值的差值作比例、微分、積分后用來(lái)控制受控對(duì)象。 圖2.4常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖 (2-1) 其系統(tǒng)原理框圖如圖2.4所示連續(xù)系統(tǒng)的PID控制算式表示為： 其中e(t)為偏差，e(t)=r(t)-y(t) r(t)…設(shè)定值，y(t)…實(shí)際值 Kp，Ti，Td分別為控制式的比例、積分、微分系數(shù) 簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： (1)比例環(huán)節(jié)，即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(0)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制

26、作用，以減少偏差。 (2)積分環(huán)節(jié)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti、Ti越大，積分作用越弱；反之則越強(qiáng)。 (3)微分環(huán)節(jié)，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間.對(duì)于計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)，使用的是數(shù)字PID。數(shù)字PID又分為位置式算法和增量式算法。 將式中的積分用求和代替，微分用增量代替，則得到位置式PID算式為： (2-2) 式中：Kp為比例系數(shù)； Ki=KpT/Ti為積分系數(shù)，T為采樣周期； Kd=

27、KpTd/T為微分系數(shù) 次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(kt)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。而且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的u(t)對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障， u(t)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的大幅度變化．這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式PD控制的控制算法。所謂增量式PD是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量Au(kt)。 采用增量式PID算法，式(2-2)改寫(xiě)為： (2-3) 曝氣池污水處理是一個(gè)復(fù)雜的大滯后的生化反應(yīng)過(guò)程，如果通過(guò)機(jī)理的方法，建立精確的數(shù)學(xué)模型是很困難復(fù)雜的。采用一般的

28、控制方法，大滯后問(wèn)題又很難被解決，為了解決系統(tǒng)滯后問(wèn)題，本系統(tǒng)采用 PID 控制的方法。由 PID 控制原理可知，比例增益（KP）可以加快響應(yīng)速度，提高調(diào)節(jié)精度，但是如果過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。積分增益可以消除靜差，提高系統(tǒng)控制的精度，但是如果過(guò)大，可能會(huì)引起積分飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩頻率較低，調(diào)節(jié)緩慢，且超調(diào)量過(guò)大。 PID 參數(shù)整定原則 根據(jù) A/A/O活性污泥法污水處理的特點(diǎn)，結(jié)合 PID 的三個(gè)系數(shù)（KP 、KI 、KD），對(duì)系統(tǒng)控制的作用，可以確定如下三條整定原則： (1) E 很大時(shí),說(shuō)明實(shí)際值與參考值相差很大，此時(shí)應(yīng)采取最強(qiáng)的控制，使誤差絕對(duì)值以最大速度

29、減小，這樣在 PID 控制參數(shù)方面，要求 KP 取較大值，同時(shí)為避免積分和微分飽和，KD 可取較小值，KI 取 0。 (2) 若 EEC>0,說(shuō)明誤差在向絕對(duì)值增大的方向變化，即實(shí)際值與參考值的差距在變大。此時(shí)，當(dāng)誤差絕對(duì)值較大時(shí)，應(yīng)采取較強(qiáng)的控制以改變誤差的變化趨勢(shì)，迅速減小誤差絕對(duì)值，在 PID 控制參數(shù)方面，KP 可取較大值，同時(shí)可取較小的 KI和中等的 KD，以提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能；當(dāng)誤差絕對(duì)值較小時(shí)，可采取普通控制，取中等的 KP，同時(shí)取較大的 KI 和較小的 KD，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，避免產(chǎn)生振蕩。 (3) 若 EEC<0，說(shuō)明誤差在向絕對(duì)值減小的方向變化，即實(shí)際值與參

30、考值的差距在變小。此時(shí)，當(dāng)誤差絕對(duì)值較大時(shí)，應(yīng)采取普通的控制，迅速減小誤差絕對(duì)值，在 PID 控制參數(shù)方面，可取中等的 KP，同時(shí)可取較小的 KI 和中等的 KD，以提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能；當(dāng)誤差絕對(duì)值較小時(shí)，誤差變化率絕對(duì)值也較小時(shí)，可采取強(qiáng)度較低的控制，取較小的 KP，同時(shí)取較大的 KI 和較小的 KD，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，避免產(chǎn)生振蕩。同時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)存在較大的滯后，當(dāng)誤差絕對(duì)值較小，誤差變化率絕對(duì)值較大時(shí)，可以認(rèn)為系統(tǒng)實(shí)際值與參考值的差距在變大，因?yàn)樵诮酉聛?lái)的時(shí)間里，實(shí)際值將越過(guò)參考值，背向參考值快速變化，所以此時(shí)應(yīng)采取普通的控制，迅速降低誤差變化率的絕對(duì)值，在 控制參數(shù)方面，可取中等

31、的，同時(shí)可取較小的誤差變化率的絕對(duì)值，在 PID 控制參數(shù)方面，可取中等的 KP，同時(shí)可取較小的 KI和中等的 KD，以提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。 3. 器件的選型及介紹 3.1 PLC的概述 可編程控制器簡(jiǎn)稱(chēng)——PLC是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型工業(yè)控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)過(guò)程和位置的自動(dòng)控制中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可編程控制器是工業(yè)自動(dòng)化裝置中應(yīng)用最多的一種設(shè)備。專(zhuān)家認(rèn)為，可編程控制器將成為今后工業(yè)控制的主要手段和重要的基礎(chǔ)設(shè)備之一，PLC、機(jī)器人、CAD/CAM將成為工業(yè)生產(chǎn)的三大支柱。 （1）PL

32、C的主要功能 PLC是八十年代發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，在實(shí)踐中通過(guò)不斷完善，已具備比較理想的功能，可以滿(mǎn)足各種不同控制領(lǐng)域的需要。目前典型的LPC的功能有以下十種: 1.開(kāi)關(guān)量控制; 6.步進(jìn)控制; 2.模擬量控制; 7.數(shù)據(jù)處理; 3.定時(shí)控制; 8.自診斷功能; 4.計(jì)數(shù)控制; 9.定位控制; 5.通訊聯(lián)網(wǎng)功能; 10.顯示、打印功能。 （2）PLC的特點(diǎn) PLC作為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)，與通常在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用的微機(jī)不同。由于控制對(duì)象的復(fù)雜性，使用環(huán)境的特殊性和運(yùn)行的長(zhǎng)期連續(xù)

33、性，使PLC在設(shè)計(jì)上有許多明顯的特點(diǎn)。可靠性高、編程直觀簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、適應(yīng)性好、接口能力強(qiáng)、模塊化結(jié)構(gòu)、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等。 3.2本設(shè)計(jì)系統(tǒng)PLC功能 PLC在系統(tǒng)中的主要實(shí)現(xiàn)的功能： (1) 實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID調(diào)節(jié) (2)對(duì)變頻器的驅(qū)動(dòng)控制。變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采用PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接收壓力變送器送來(lái)的模擬信號(hào)，輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng)PID處理后得出的模擬量控制信號(hào)，并依此信號(hào)的變化改變變頻器的輸出頻率。 (3) 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)所需的輸入輸出點(diǎn)較多所選PLC要有充足的輸入輸出點(diǎn)。 通過(guò)PLC的功能需求，我們選用德

34、國(guó)SIEMENS公司的S7-200(CPU 226)型PLC。本設(shè)計(jì)考慮到兩種方式下的輸入點(diǎn)共有30個(gè)（輸入端子有24個(gè)，輸出端子有6個(gè)），超出PLC本身24個(gè)輸入點(diǎn)，由于手動(dòng)和自動(dòng)只能以一種方式工作，故某些輸入點(diǎn)可以分時(shí)復(fù)用，一點(diǎn)頂兩點(diǎn)用，所以本系統(tǒng)選用40點(diǎn)I/O端子的PLC。輸入單元：撥盤(pán)開(kāi)關(guān)4個(gè)分別為小數(shù)位、個(gè)位、十位、百位；接近開(kāi)關(guān)SW 1個(gè)，選擇開(kāi)關(guān)S1 1個(gè)；磨刀開(kāi)關(guān)S2 1個(gè)；按鈕SB0～SB9 10個(gè)；限位開(kāi)關(guān)ST1～ST4 4個(gè)。 3.3 變頻器的選型 變頻器選擇中，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)的額定功率及額定電流、額定電壓綜合考慮，合理選擇變頻器的參數(shù)，與用電設(shè)備配套。污水廠中有些機(jī)械

35、配套的電動(dòng)機(jī)屬于大電流、低轉(zhuǎn)速電機(jī)，在選擇變頻器時(shí)在按額定功率選擇變頻器時(shí)，必須校核變頻器的額定電流要與設(shè)備配套。 由于變頻器產(chǎn)生的高次諧波的影響，對(duì)補(bǔ)償電容的影響較大，在選擇電容器時(shí)需選擇帶電抗器的電容器，最好選擇帶消諧裝置的電容器組。污水廠控制的參數(shù)較多，需綜合各種信息綜合確定控制模型，變頻裝置應(yīng)充分考慮與其它控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息通訊地能力，以便更好監(jiān)測(cè)變頻器的各種工況及更合理的控制，充分發(fā)揮各種裝置在同一系統(tǒng)中綜合應(yīng)用的潛力，達(dá)到動(dòng)態(tài)、互補(bǔ)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。 變頻器安裝及接線中，應(yīng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝使用手冊(cè)進(jìn)行，各種輔助措施，如裝置環(huán)境條件的保證，接地安全措施均應(yīng)預(yù)留到位，否則會(huì)直接影響

36、變頻器的使用壽命和效率，還會(huì)造成對(duì)其它系統(tǒng)干擾現(xiàn)象。尤其環(huán)境溫度的要求，尤其重要，變頻器發(fā)熱量較大，安裝在柜內(nèi)時(shí)要考慮散熱的要求，必要時(shí)需增設(shè)通風(fēng)設(shè)備，對(duì)大功率變頻器尤為重要。 變頻器主要優(yōu)點(diǎn)： （1）省電：20%-50%。 （2）壓力精確度0.1Bar。 （3）提高馬達(dá)功率因素。 （4）降低啟動(dòng)電流，減少對(duì)電網(wǎng)沖擊。 （5）降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪音，提供良好工作環(huán)境。 （6）降低能源消耗和生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,延長(zhǎng)空壓機(jī)使用壽命。 （7）降低故障率，減少維修成本。 （8）提供穩(wěn)定之排氣壓力，有利于提高產(chǎn)品的合格率。 （9）變頻和工頻可任意切換（不改變電動(dòng)機(jī)原有操作模式） 變

37、頻器是變頻凋述系統(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)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。變頻器的選擇必頒根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率和電流進(jìn)行選擇。本系統(tǒng)選用的變頻器為SIEMENS公司的MM440系統(tǒng)。 MM440是一種集多種功能于一體的變頻器，該系列有多個(gè)型號(hào)供用戶(hù)選擇，其恒定轉(zhuǎn)矩控制方式的額定功率范圍為120W~200kW，可變轉(zhuǎn)矩控制方式的額定功率可達(dá)250kw，他適用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速的場(chǎng)合，的通過(guò)數(shù)字操作面板或通過(guò)遠(yuǎn)程操作器方式，修改其內(nèi)置參數(shù)，即可滿(mǎn)足各種調(diào)速場(chǎng)合的需要。 MM440變頻器的型號(hào)有8種：A-F、FX和GX。每種變頻器的額定功率按字母順序排列越來(lái)越大，另外每種型號(hào)種都有單相和三相兩種輸入電壓

38、。 （1）主要特點(diǎn) 1）內(nèi)置多種運(yùn)行方式； 2）快速電流限制，實(shí)現(xiàn)無(wú)跳閘運(yùn)行；內(nèi)置式制動(dòng)斬波器，實(shí)現(xiàn)直流注入制動(dòng); 3）內(nèi)置式制動(dòng)斬波器，實(shí)現(xiàn)直流注入制動(dòng);具有PID功能的閉環(huán)控制，控制器參數(shù)可自動(dòng)整定； 4）具有PID功能的閉環(huán)控制，控制器參數(shù)可自動(dòng)整定； 5）多組參數(shù)設(shè)定且可相互切換，變頻器可用于多個(gè)交換工作的生產(chǎn)過(guò)程； 6）多功能數(shù)字、模擬輸入輸出口，可任意定義其功能和具有完善的保護(hù)功能。 （2）控制方式 變頻器控制運(yùn)行方式，即變頻器輸出電壓與頻率的控制關(guān)系?？刂品绞降倪x擇，可通過(guò)變頻器相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置選擇。MM440系列變頻器主要有以下幾種控制方式： 1）線性VF控制

39、 變頻器輸出電壓與頻率為線性關(guān)系，用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 2）帶磁通電流控制（FFC）的線性控制在這種模式下，變頻器根據(jù)電動(dòng)機(jī)特性實(shí)時(shí)計(jì)算所需要的輸出電壓，以此來(lái)保持電動(dòng)機(jī)的磁通處于最佳狀態(tài)。此方式可提高電動(dòng)機(jī)的效率和改善電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性。 3）平方VF控制 變頻器的輸出電壓平方與頻率為線性關(guān)系，用于變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 4）特性曲線可編程的VF控制變頻器輸出電壓與頻率為分段線性關(guān)系，此種控制方式可用于在某一特定頻率下為電機(jī)提供特定的轉(zhuǎn)矩。 5）帶“能量?jī)?yōu)化“控制的線性VF控制此方式的特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)自動(dòng)增加或降低電動(dòng)機(jī)電壓，搜尋并使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最小損耗的工作點(diǎn)上。 6）有/無(wú)傳感器矢量控制

40、用固有的滑差補(bǔ)償對(duì)電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行控制。采用這一控制方式時(shí)，可以得到大 的轉(zhuǎn)矩，改善瞬態(tài)響應(yīng)特性和具有優(yōu)良的速度穩(wěn)定性，而且在低頻是可以提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 7）有/無(wú)傳感器的矢量轉(zhuǎn)矩控制 變頻器可以直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載要求具有恒定的轉(zhuǎn)矩是，變頻器通過(guò)改變向電動(dòng)機(jī)輸出的電流，使轉(zhuǎn)矩維持在設(shè)定的數(shù)值。 （3）保護(hù)功能 MM440系列的變頻器所具有的保護(hù)功能有：過(guò)電壓及欠電壓保護(hù)、變頻器過(guò)熱保護(hù)、接地故障保護(hù)、短路保護(hù)、I2T電動(dòng)機(jī)過(guò)熱保護(hù)和PTC /KTY電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)。 （4）MM440變頻器的功能方框圖 圖3.1 MM440內(nèi)部功能圖 圖3.2為MM440變頻器

41、的內(nèi)部功能方框圖。其控制電路由CPU、模擬輸入/輸出、數(shù)字輸入輸出、操作面板等組成。該變頻器共有20多個(gè)控制端子，分為四類(lèi)：輸入信號(hào)端子、頻率設(shè)定輸入端子、監(jiān)視信號(hào)輸出端子和通信端子。 (1)輸入信號(hào)：DIN1、DIN1為PLC的控制信號(hào)輸入； L1、L2、L3為電源輸入。 (2)輸出信號(hào)：U，V，W為接三相異步電動(dòng)機(jī)。 DIN1-DIN6為數(shù)字輸入端子，一般用于變頻器的外部控制，其具體功能由相應(yīng)設(shè)置決定。例如出廠設(shè)置時(shí)DIN1為正向運(yùn)行、DIN2為反向運(yùn)行，根據(jù)需要修改參數(shù)可以改變其相應(yīng)的功能。使用輸入信號(hào)端子可以完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、復(fù)位、多級(jí)速度設(shè)定、自由停車(chē)、電動(dòng)控制等操作

42、，PTC端子為PTC傳感器輸入端子，用于電動(dòng)機(jī)內(nèi)置PTC測(cè)溫保護(hù)。 AIN1、AIN2為模擬信號(hào)輸入端子，分別作為頻率給定信號(hào)和閉環(huán)時(shí)反饋信號(hào)輸入。變頻器提供了三種頻率設(shè)定的方式：外接電位器設(shè)定、0-10V電壓設(shè)定和4-20mA電流設(shè)定。當(dāng)用電壓或電流設(shè)定時(shí)，最大電壓或電流應(yīng)對(duì)應(yīng)于變頻器頻率輸出的最大值。變頻器有兩路頻率設(shè)定通道，開(kāi)環(huán)時(shí)只用AIN1通道，閉環(huán)時(shí)使用AIN2通道作為反饋輸入端。端子1、2提供了一個(gè)高精度的10V直流電源，當(dāng)使用模擬電壓信號(hào)方式設(shè)定頻率時(shí)，為了提高變頻器的控制精度，最好使用這樣的高精度的電源。 輸出信號(hào)的作用就是對(duì)變頻器運(yùn)行狀態(tài)的顯示，或向上位機(jī)提供這些信息。

43、 針對(duì)本系統(tǒng)的應(yīng)急情況，可將變頻器端子上的信號(hào)分為輸入信號(hào)、輸出信號(hào)。 3.4 PLC擴(kuò)展模塊EM235的I／O點(diǎn)及地址分配 3.4.1 EM235的簡(jiǎn)介 EM235模塊是組合強(qiáng)功率精密線性電流互感器、意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片于一體的新一代交流電流隔離變送器模塊，它可以直接將被測(cè)主回路交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的DC4～20mA（通過(guò)250Ω電阻轉(zhuǎn)換DC 1～5V或通過(guò)500Ω電阻 轉(zhuǎn)換DC2～10V）恒流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，連續(xù)輸送到接收裝置（計(jì)算機(jī)或顯示儀表）。 1.主要特點(diǎn) （1）專(zhuān)為電力電氣自動(dòng)化50／60Hz交流電流測(cè)量而設(shè)計(jì)的真有效值兩線制隔離變送器模塊；

44、 （2）采用印制板直插安裝型模塊結(jié)構(gòu)，將精密電流互感器和單片集成電流變送器兩部分組合為一體化設(shè)計(jì)； （3）具有國(guó)內(nèi)首創(chuàng)4種補(bǔ)償措施：①零位補(bǔ)償、②線性補(bǔ)償、③溫度漂移補(bǔ)償、④頻率帶寬補(bǔ)償； （4）具有國(guó)內(nèi)首創(chuàng)6大全面保護(hù)功能：①輸入過(guò)載保護(hù)；②輸出過(guò)流限制保護(hù)；③輸出電流長(zhǎng)時(shí)間短路保護(hù)；④兩線制端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護(hù)；⑤工作電源過(guò)壓極限保護(hù)≤35V；⑥工作電源反接保護(hù)； （5）原副邊高度絕緣隔離； （6）高可靠性，高穩(wěn)定性，高性?xún)r(jià)比； （7）特別適用于將發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、智能低壓配電柜、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、路燈等饋電電流互感器的二次側(cè)1A、5A、10A電流隔離轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)兩線制D

45、C4～20mA直流信號(hào)，輸入智能監(jiān)控系統(tǒng)； （8）超低功耗，單只靜態(tài)時(shí)0.096W，滿(mǎn)量程功耗為0.48W，輸出電流內(nèi)部限制功耗為0.6W。 （9）頻率帶寬：AC40～1000KHz 2.主要功能與特性 （1）將被測(cè)工頻交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出的兩線制DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)； （2）優(yōu)良的溫度特性和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性； （3）第3代定型設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體（ST）單片集成變送器ASIC芯片(絕非LM324或LM258廉價(jià)運(yùn)放搭成)； （4）第3代定型設(shè)計(jì)采用強(qiáng)功率線性變壓原理,抗干擾能力較第2代增強(qiáng)10倍；（5）精確度高,線性度優(yōu)良； （6）兩線端口具

46、有輸出過(guò)流過(guò)壓極性保護(hù)功能,具有感應(yīng)雷擊波和突波保護(hù)能力； 3.4.2 EM235的技術(shù)規(guī)范 S7—200系列PLC的模擬量擴(kuò)展模塊EM235，它具有四路模擬量輸入及一路模擬量輸出，可以用于恒壓供水控制中表3.1中，輸入、輸出信號(hào)范圍欄給出了EM235的輸入、輸出信號(hào)規(guī)格，以供選用。4路端子可分別接入4路輸入，當(dāng)信號(hào)的類(lèi)型(電流或電壓)不同時(shí)，接線方法不一樣，輸出是電流量還是電壓量在接法上有區(qū)別。 表3 .1 EM235輸入/輸出技術(shù)規(guī)范 輸入技術(shù)規(guī)范 輸出技術(shù)規(guī)范 最大輸入電壓 30VDC 隔離 （現(xiàn)場(chǎng)到邏輯） 無(wú) 最大輸入電流 32Ma 信號(hào)范圍 輸入濾

47、波衰減 -3Db 電壓輸出 10V 分辨率 12位A/D轉(zhuǎn)換器 電流輸出 0-20mA 隔離 否 分辨率，滿(mǎn)量程 輸入類(lèi)型 差分 電壓 12位 輸入范圍 電流 11位 電壓?jiǎn)螛O性 0-10V，0-5V 電壓 -32000-32000 0-1V,0-500mV 0-100mV，0-50mV 電壓雙極性 10V，5V， 2.5V 電流 0-32000 1V, 500mV, 250mV 最差情況0-25 100mV50mV,25mV 電壓輸出 2%滿(mǎn)量程 電流 0-20mA 電流輸出 2%滿(mǎn)量程 A/D轉(zhuǎn)

48、換時(shí)間 <250us 經(jīng)典25 模擬輸入階躍應(yīng) 1.5ms到95% 電壓輸出 100us 共模電壓 信號(hào)電壓加共模電壓必須≤12V 電壓輸出 100us 24DC電壓范圍 20.4-28.8V 電流輸出 2us 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿(mǎn)量程 -3200-320000 最大驅(qū)動(dòng) 單極性，滿(mǎn)量程 0-32000 電壓輸出 5000最小 共模抑制 40dB，DC到60Hz DC輸入阻抗 ≥10M電壓輸出 電流輸出 5000最小 250電流輸入 3.4.3 EM235的校準(zhǔn)及配置 模擬量模塊在接入電路工作前需完成配置

49、及校準(zhǔn)，配置指根據(jù)實(shí)際需接入的信號(hào)類(lèi)型對(duì)模塊進(jìn)行的一些設(shè)定。校準(zhǔn)可以簡(jiǎn)單地理解為儀器儀表使用前的調(diào)零及調(diào)滿(mǎn)度。要配置調(diào)節(jié)使用的6只開(kāi)關(guān)的狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的輸入范圍及分辨率，分成單極性輸入及雙極性輸入兩種情況。 校準(zhǔn)輸入的步驟如下： (1)切斷模塊電源。使用配置開(kāi)關(guān)選擇需要的輸入范圍。 (2)接通CPU各模塊電源，并穩(wěn)定15min。 (3)用一個(gè)傳感器、一個(gè)電壓源或電流源，將零值信號(hào)加到一個(gè)輸入端。 (4)讀出CPU中測(cè)量值。 (5)調(diào)節(jié)偏置電位器，使讀數(shù)為零或?yàn)橐粋€(gè)所需要的數(shù)據(jù)值。 (6)將一個(gè)滿(mǎn)刻度信號(hào)接入某個(gè)輸入端，讀取CPU的值。 (7)調(diào)節(jié)增益電位器，

50、直到CPU的讀數(shù)為32000，或所需要的數(shù)據(jù)值。必要時(shí)，重復(fù)偏置及增益的校準(zhǔn)過(guò)程。 4.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及編程 4.1 控制系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)控制 電氣系統(tǒng)控制原理圖包括主電路，控制電路圖以及PLC外圍接線圖。 （1）主電路圖 圖4.1 控制系統(tǒng)的主電路 電機(jī)有兩種工作模式即：在工頻電下運(yùn)行和在變頻電下運(yùn)行。KM1、 KM3、 KM5 分別為電動(dòng)機(jī)M1 、M2 、M3 工頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器，KM0、 KM2 、KM4 分別為電動(dòng)機(jī)M1、M2、 M3 變頻運(yùn)行時(shí)接通電源的控制接觸器。 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)

51、。 熔斷器（FU）是電路中的一種簡(jiǎn)單的短路保護(hù)裝置。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。 （2）控制電路圖 圖4.2所示電控系統(tǒng)控制電路圖。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)。手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可用按鈕SB1~SB2控制三臺(tái)泵的啟/停和電磁閥YV2的通斷；自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)在PLC程序控制下運(yùn)行。 圖中的HL10為自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的電源指示燈。對(duì)變頻器頻率進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸電信號(hào)，由于PLC為4個(gè)輸出點(diǎn)位一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒(méi)有剩下單獨(dú)的COM端口，所以通過(guò)一個(gè)

52、中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器進(jìn)行復(fù)位控制。圖中的Q0.0~Q0.5及Q1.0~Q1.5為PLC輸出繼電器觸點(diǎn)，它們旁邊的4、6、8等數(shù)字為接線號(hào)，可結(jié)合PLC外圍接線圖一起讀圖。 4.2 電控系統(tǒng)控制電路 4.2 PLC編程及介紹 系統(tǒng)條件確定后，系統(tǒng)得控制功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合前述泵站的控制要求，對(duì)泵站軟件設(shè)計(jì)分析如下： 前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)了，為了恒定水壓，在水壓降落時(shí)要升高變頻器的輸出頻率，且在一臺(tái)不能滿(mǎn)足要求時(shí)，需要啟動(dòng)第二臺(tái)或第三臺(tái)泵。判斷需啟動(dòng)新泵的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定的上限值。這一功能可以通過(guò)比較指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了判斷變頻器的工作頻率達(dá)到上限的確定性，應(yīng)該濾去

53、偶然的頻率波動(dòng)引起的頻率達(dá)到上限情況，在程序中考慮采取時(shí)間濾波。 4.2.1 多泵組泵站泵組管理規(guī)范 由于變頻器泵站希望每一次啟動(dòng)電機(jī)都為軟啟動(dòng)，又規(guī)定各臺(tái)水泵必須交替使用，多泵組站泵組的投運(yùn)要有一個(gè)管理規(guī)范。控制要求中規(guī)定任意一臺(tái)泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不得超過(guò)3h，因此每次需要啟動(dòng)新泵或切換變頻泵時(shí)，以新運(yùn)行泵為變頻泵時(shí)合理的。具體的操作時(shí)，將現(xiàn)行運(yùn)行的變頻泵從變頻器切除，并接上工頻電源運(yùn)行，將變頻器復(fù)位并用于新運(yùn)行泵的啟動(dòng)。除此之外，泵組管理還有一個(gè)問(wèn)題就是泵的工作循環(huán)控制，這里我們使用泵好加1的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻泵的循環(huán)控制，用工頻泵的總數(shù)結(jié)合泵號(hào)實(shí)現(xiàn)工頻泵的輪換工作。 4.2.2 程序的結(jié)果

54、以及程序功能的實(shí)現(xiàn) 由于PLC在恒壓供水系統(tǒng)中的功能比較多，泵程序可分為三個(gè)部分：主程序、子程序和中斷程序。系統(tǒng)的一些初始化的工作放在初始化子程序中完成，這樣可以節(jié)省掃描時(shí)間。主程序的功能最多，如泵切換信號(hào)的生成、泵組接觸器邏輯控制信號(hào)的綜合以及報(bào)警處理都在主程序中。 邏輯運(yùn)算及報(bào)警處理等放在主程序中。利用定時(shí)器中斷功能實(shí)現(xiàn)PID控制的定時(shí)采樣機(jī)輸出控制。生活供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定值為滿(mǎn)量程的70%，消防供水時(shí)系統(tǒng)設(shè)定為滿(mǎn)量程的90%。在本系統(tǒng)中，知識(shí)用比例P和積分I控制，其回路增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算的方法初步確定，但還要進(jìn)一步調(diào)整達(dá)到最優(yōu)控制效果。 表4.1 程序中使用的元器件及功能

55、 器件地址 功能 器件地址 功能 VD100 過(guò)程變量標(biāo)準(zhǔn)化值 T38 工頻泵減泵濾波時(shí)間控制 VD104 壓力給定值 T39 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD108 PI計(jì)算值 M0.0 故障結(jié)束脈沖信號(hào) VD112 比例系數(shù) M0.1 泵變頻啟動(dòng)脈沖 VD116 積分時(shí)間 M0.3 復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖 VD120 積分時(shí)間 M0.4 復(fù)位當(dāng)前變頻運(yùn)行泵脈沖 VD124 積分時(shí)間 M0.5 當(dāng)前泵工頻運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)脈沖 VD204 變頻起運(yùn)動(dòng)頻率下限值 M0.6 新泵變頻啟動(dòng)脈沖 VD208 生活供水變頻器頻率上限值 M2

56、.0 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD212 消防供水變頻器頻率上限值 M2.1 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD250 PI調(diào)節(jié)結(jié)果存儲(chǔ)單元 M2.2 泵工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 VD300 變頻工作泵的泵號(hào) M3.0 故障信號(hào)總匯 VD301 工頻運(yùn)行的泵的總臺(tái)數(shù) M3.1 水池水位下限故障邏輯 VD310 倒泵時(shí)間存儲(chǔ)器 M3.2 水池水位下限故障消鈴邏輯 T33 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.3 變頻器故障消鈴邏輯 T34 工頻/變頻轉(zhuǎn)換邏輯控制 M3.4 火災(zāi)消鈴邏輯 T37 工頻泵增泵濾波時(shí)間控制 雙恒壓供水系統(tǒng)

57、的梯形圖程序以及程序注釋如下圖所示。對(duì)程序有幾點(diǎn)說(shuō)明： （1）因?yàn)槌绦蜉^長(zhǎng)，所以讀圖時(shí)請(qǐng)按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)的順序進(jìn)行； （2）本程序的控制邏輯設(shè)計(jì)針對(duì)的是較少的泵數(shù)供水系統(tǒng)。 5.結(jié)論 本文闡明了恒壓供水系統(tǒng)基于PLC的變頻調(diào)速節(jié)能原理，接著分析了系統(tǒng)原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，提出不同的控制方案。系統(tǒng)由PLC及擴(kuò)展模塊；變頻器、電機(jī)組；PLC用隔離變壓器、低壓電器以及控制柜等構(gòu)成。主要介紹了PLC控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置方案、軟件設(shè)計(jì)思想和程序結(jié)構(gòu)PLC實(shí)現(xiàn)變頻器的啟

58、動(dòng)制動(dòng)和故障處理和各種電器控制，電控單元由低壓電器具體實(shí)現(xiàn)過(guò)載等保護(hù)和通斷電源控制，變頻器則完成風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)由變頻器拖動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行，根據(jù)供系統(tǒng)的變化配合其他工頻電機(jī)使用。同時(shí)經(jīng)PLC內(nèi)的PID處理的信號(hào)傳送給變頻器，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的工頻與變頻運(yùn)行的調(diào)節(jié)。由于本設(shè)計(jì)基于數(shù)量較少的泵組運(yùn)行，因此具有一定的局限性，分析設(shè)計(jì)與測(cè)試中仍存在一些問(wèn)題，還需進(jìn)一步優(yōu)化完善控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1]汪志峰.可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2004 [2]皮壯行.可編程序控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].機(jī)械工業(yè)

59、出版社,2000 [3] 劉洪濤.PLC應(yīng)用開(kāi)發(fā)從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M]電子工業(yè)出版社,2007 [4] 于海生.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2008 [5] 張選正，張金遠(yuǎn).變頻器應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[M].中國(guó)電力出版社, 2006 [6] 孫洪程,李大字.過(guò)程控制工程[M].高等教育出版社, 2006 [7] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 2003 [8] 張春霞.變頻調(diào)速及PLC技術(shù)在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].礦業(yè)快報(bào),2004 [9] 常斗南.可編程序控制器機(jī)[M].械工業(yè)出版社,2007 [10] 魏召剛.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社

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62、 輸入濾波衰減 -3Db 電壓輸出 10V 分辨率 12位A/D轉(zhuǎn)換器 電流輸出 0-20mA 隔離 否 分辨率，滿(mǎn)量程 輸入類(lèi)型 差分 電壓 12位 輸入范圍 電流 11位 電壓?jiǎn)螛O性 0-10V，0-5V 電壓 -32000-32000 0-1V,0-500mV 0-100mV，0-50mV 電壓雙極性 10V，5V， 2.5V 電流 0-32000 1V, 500mV, 250mV 最差情況0-25 100mV50mV,25mV 電壓輸出 2%滿(mǎn)量程 電流 0-20mA 電流輸出 2%滿(mǎn)量程 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間 <250us 經(jīng)典25 模擬輸入階躍應(yīng) 1.5ms到95% 電壓輸出 100us 共模電壓 信號(hào)電壓加共模電壓必須≤12V 電壓輸出 100us 24DC電壓范圍 20.4-28.8V 電流輸出 2us 數(shù)據(jù)字格式 雙極性，滿(mǎn)量程 -3200-320000 最大驅(qū)動(dòng) 單極性，滿(mǎn)量程 0-32000 電壓輸出 5000最小 共模抑制 40dB，DC到60Hz DC輸入阻抗 ≥10M電壓輸出 電流輸出 5000最小 250電流輸入