PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)程序
PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)程序,plc,控制,節(jié)制,變頻,調(diào)速,供水系統(tǒng),程序
恒壓供水的控制與節(jié)能的探索
摘要:在簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外給水系統(tǒng)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,介紹了系統(tǒng)的組成,提出了以變頻調(diào)速為核心所構(gòu)成的全自動(dòng)給水系統(tǒng)控制方式,并以實(shí)例詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的組成、工作原理以及在控制與節(jié)能方面所表現(xiàn)出的優(yōu)越性.文中根據(jù)作者的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),簡(jiǎn)要闡述了該系統(tǒng)在應(yīng)用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。
關(guān)鍵詞: 變頻調(diào)速;恒壓供水。PID調(diào)節(jié)器中圖法? ?
一、引 言
目前,我國(guó)居民小區(qū)與高層建筑的生活供水,普遍采用工頻方式.它存在著能耗大,噪音高,水源存在二次污染等諸多問(wèn)題.而用變頻調(diào)速控制的給水裝置是一種較為理想的模式.進(jìn)入90年代中后期,隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,基于該項(xiàng)技術(shù)的全自動(dòng)恒壓給水方式已在發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用,且日趨成熟.近幾年來(lái),作者在變頻調(diào)速給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工方面做了些實(shí)際工作,積累了一些經(jīng)驗(yàn),并形成了對(duì)于一些問(wèn)題的看法.水泵節(jié)能原理變頻調(diào)速系統(tǒng)之所以得到推廣,一個(gè)很重要的原因就是它有較好的節(jié)能效果.
一臺(tái)水泵的實(shí)際揚(yáng)程與電源頻率的平方成正比.因而通過(guò)變頻器改變水泵電機(jī)的供電頻率,就可控制水泵的供水壓力.恒壓供水自動(dòng)控制變頻恒壓供水原理框圖如圖1所示. 為給定的壓力值, 為壓力傳感器從管道上所測(cè)得的實(shí)際壓力值,PID調(diào)節(jié)器通過(guò)對(duì)兩者的誤差運(yùn)算,并經(jīng)過(guò)控制變頻器的頻率輸出,從而使管道的壓力始終保持在設(shè)定值上。
該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)用戶的瞬時(shí)水壓,據(jù)此調(diào)節(jié)給水量的多少及電機(jī)的運(yùn)行狀況.還可根據(jù)所需的給水壓力設(shè)定控制壓力值,讓設(shè)備始終處于恒壓狀態(tài),從負(fù)載電機(jī)的特性可知,所配電機(jī)的軸功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比,即 .例如,當(dāng)變頻器輸出頻率為35Hz(最高設(shè)定為50Hz),也就是實(shí)際轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的70%時(shí),調(diào)速器的用電量為0.343,約占額定的35%.也就是說(shuō),水泵總處于恒壓變流量匹配方式的工作狀態(tài),從而消除了超壓和回流的無(wú)功損耗.恒速與變頻調(diào)速軸功率變化曲線如圖2所示,比較可知,變頻調(diào)速方式節(jié)能效果最為明顯。
二、實(shí)例分析：
恒壓供水是通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)水的流量從而達(dá)到恒壓的目的,它最終控制的目標(biāo)是水壓.控制對(duì)象具有非線性、滯后特性.PID調(diào)節(jié)器性能的好壞,在很大程度上決定了恒壓供水的質(zhì)量.當(dāng)系統(tǒng)在啟動(dòng)與停止階段,或壓力設(shè)定值大幅度變化時(shí),由于在短時(shí)間內(nèi)存在很大的偏差,因而無(wú)論P(yáng)ID調(diào)節(jié)器的控制算法采用增量式還是位置式,其積分項(xiàng)將取蓄水池、水泵組(1M,2M)及相關(guān)輔配件構(gòu)成.本系統(tǒng)的核心是變頻調(diào)速控制柜,它通過(guò)壓力傳感器對(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給變頻器進(jìn)行運(yùn)算,通過(guò)變頻器、可編程控制器PLC與繼電器陣列的共同控制,構(gòu)成了完善的全自動(dòng)變頻調(diào)速給水系統(tǒng)。
變頻器的品種繁多,如三菱、富士、三肯及ABB等型號(hào).一般常選用泵類、風(fēng)機(jī)專用系列.以三菱FR-A140E為例,它除了一般品牌所具有的功能外,還有如下特點(diǎn):內(nèi)部采用IPM智能功率模塊,使電機(jī)的噪音減至最低;變頻器與工頻電源之間可進(jìn)行切換,用戶只需通過(guò)PLC輸入啟動(dòng)、停止及自動(dòng)切換指令,就可方便地通過(guò)接觸器的互鎖動(dòng)作來(lái)切換不同的水泵,而不需要像以往那樣自行設(shè)計(jì)繁瑣的控制程序,這是該變頻器所特有的功能之一;內(nèi)置的瞬時(shí)停電再啟動(dòng)與再試啟動(dòng)功能,在無(wú)人看管的情況下,即使變頻器停機(jī)后也可自行啟動(dòng),完全實(shí)現(xiàn)了以自動(dòng)化方式的運(yùn)行.本系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)器可用變頻器內(nèi)置式值很大,這就會(huì)存在偏差調(diào)節(jié).在消除偏差調(diào)節(jié)的過(guò)程中,必然導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的振蕩,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象,從而影響了設(shè)備的正常運(yùn)行.要把這種影響降至最低,就應(yīng)在控制算法中采用積分分離的PID控制方式,以達(dá)到預(yù)期效果.經(jīng)這樣處理后,可大大縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間.系統(tǒng)中配備兩臺(tái)11kW水泵(1M為主泵,2M為備用泵)供600余戶居民用水.兩臺(tái)泵同時(shí)工作時(shí)提供最大高峰流量,單臺(tái)則滿足小流量和夜間供水.另外,所有水泵均能以變頻方式運(yùn)行,即可以循環(huán)方式軟啟動(dòng),這樣能減小對(duì)電網(wǎng)和管網(wǎng)的沖擊.值得注意的是,兩泵在變頻與工頻之間切換時(shí),僅有程序互鎖是不夠的,輸出必須采用機(jī)械聯(lián)鎖接觸器,這樣可避免兩個(gè)接觸器瞬間同時(shí)閉合的情況,以免造成電源的瞬間短路。
變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路原理圖,壓力傳感器P實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓信號(hào)的大小,信號(hào)經(jīng)PID處理,輸入至變頻器.小流量時(shí),水泵電機(jī)1M運(yùn)轉(zhuǎn)(1KM1吸合),并通過(guò)反饋通道不斷調(diào)整其轉(zhuǎn)速,以保持壓力的恒定;在大流量的情況下,經(jīng)壓力比較電路通過(guò)PLC發(fā)出“變頻/工頻切換”與“運(yùn)行聯(lián)鎖”指令,機(jī)械聯(lián)鎖接觸器(2KM(2KM1+2KM2)中的2KM2、接觸器3KM得電.這時(shí),電機(jī)2M以變頻方式啟動(dòng),1M則切換至工頻全速運(yùn)行.這樣,本系統(tǒng)能始終將用水量維持在一個(gè)恒定的壓力上.前述小區(qū)建成初期,供水采用工頻方式,因能耗大,可靠性差,住戶反映強(qiáng)烈.改用變頻供水后,裝機(jī)總?cè)萘枯^原設(shè)備減小25%,實(shí)際綜合節(jié)電指標(biāo)接近30%,效果顯著。
三、應(yīng)用中的幾個(gè)問(wèn)題
在大多數(shù)情況下,現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境較為惡劣.變頻器雖然本身具有很強(qiáng)的保護(hù)功能,如欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、電流限幅選擇整定、過(guò)載、過(guò)熱、缺相、短路及斷水保護(hù)功能等,但仍應(yīng)做到防患于未然.經(jīng)使用發(fā)現(xiàn),三菱、富士?jī)煞N品牌,由于在設(shè)計(jì)和制造中充分考慮了各種惡劣的運(yùn)行環(huán)境.在同樣條件下的可靠性和使用壽命較某些品牌高.湖北鄂西山區(qū)某小城市,平均海拔1200m,常年大部分時(shí)間濕度偏高(80%左右),二氧化硫污染嚴(yán)重,某廠生產(chǎn)的一套變頻供水設(shè)備,因未考慮上述因素,以至于不到一年的時(shí)間,設(shè)備的有關(guān)部件嚴(yán)重腐蝕.而我們?cè)谕坏貐^(qū)設(shè)計(jì)、安裝的同類產(chǎn)品,因充分考慮了各種不同的情況,在設(shè)備與元件的選型上,采用了船用標(biāo)準(zhǔn).經(jīng)兩年多的使用,運(yùn)行良好,經(jīng)受了各種嚴(yán)峻的考驗(yàn).在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn),變頻器本身就是一個(gè)強(qiáng)大的干擾發(fā)生源,往往會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行.特別是水泵低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),變頻器上顯示的頻率與實(shí)際運(yùn)行頻率不符.干擾的傳播途徑一般有兩種:線路串?dāng)_和空間輻射干擾.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況可采取相應(yīng)的措施予以解決.例如,對(duì)可編程控制器的電源端增加濾波與吸收回路,PID調(diào)節(jié)器單元的輸入輸出一定要有可靠屏蔽,將變頻器、電機(jī)上的接地端子牢固地與接地樁子相連,控制線與動(dòng)力線要留有一定的距離,以增強(qiáng)抗電磁干擾的能力.只有這樣,才能使系統(tǒng)在高溫、潮濕、霉菌、強(qiáng)干擾等嚴(yán)酷的條件下保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
四、結(jié)束語(yǔ)
以變頻調(diào)速為核心的供水方式,節(jié)水、節(jié)電效果明顯,可廣泛適用于20～10000戶居民生活區(qū)、高層建筑、賓館、飯店、消防或小區(qū)加壓供水,也是中小型自來(lái)水廠給水的理想設(shè)施.其供水質(zhì)量高,經(jīng)濟(jì)效益明顯,社會(huì)效益巨大,隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,它一定會(huì)在我國(guó)逐步得到應(yīng)用與推廣。
五、參考文獻(xiàn)
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信息與電子工程 系畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文)
1．本課題所涉及的問(wèn)題在國(guó)內(nèi)(外)的現(xiàn)狀綜述
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年。我國(guó)人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2％，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國(guó)的666個(gè)城市中有330個(gè)不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個(gè)；在32個(gè)百萬(wàn)人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長(zhǎng)期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元；同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例：水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械，其耗電量占全國(guó)總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為水泵電機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)，對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
2．設(shè)計(jì)(論文)要解決的問(wèn)題和擬采用的研究方法
本課題要解決的問(wèn)題:
本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價(jià)值。
（1）由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。所以我們采用變頻調(diào)速控制水泵用來(lái)改善水泵的能量浪費(fèi)問(wèn)題。
（2）S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變以往“先啟后停”方式，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡。采用硬件/軟件備用及時(shí)鐘控制功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長(zhǎng)設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時(shí)系統(tǒng)仍可運(yùn)行，保證不間斷供水。因此要設(shè)置好各泵的啟動(dòng)方式及順序。
（3）變頻轉(zhuǎn)工頻開(kāi)關(guān)切換時(shí)間T
設(shè)置Ｔ是為了確保在加泵時(shí)，泵由變頻轉(zhuǎn)為工頻的過(guò)程中，同一臺(tái)泵的變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行各自對(duì)應(yīng)的交流接觸器不會(huì)同時(shí)吸合而損壞變頻器，同時(shí)為了避免工頻啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流過(guò)大而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，所以在允許范圍內(nèi)Ｔ必須盡可能的小。
（4）上下限頻率持續(xù)時(shí)間TH和TL
變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，系統(tǒng)以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限（下限）、并保持一定的時(shí)間為依據(jù)來(lái)判斷是否加泵（減泵），這個(gè)判斷的時(shí)間就是TH（TL）。如果設(shè)定值過(guò)大，系統(tǒng)就不能迅速的對(duì)管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過(guò)小，管網(wǎng)用水量變化時(shí)就很可能引起頻繁的加減泵動(dòng)作；兩種情況下都會(huì)影響恒壓供水的質(zhì)量。所以要設(shè)置好上下限頻率持續(xù)時(shí)間。
（5）對(duì)常用的調(diào)速方式進(jìn)行分析，并決定選用的調(diào)速方式
調(diào)速方式的大致分類：
1、變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速，2、變頻調(diào)速。
變頻調(diào)速又可以分為：
Ⅰ、交--直--交變頻器，Ⅱ、交--交變頻器。
因?yàn)榻弧蛔冾l調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機(jī)，因此我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
3．本課題需要重點(diǎn)研究的、關(guān)鍵的問(wèn)題及解決的思路
3.1調(diào)速控制節(jié)能分析
水泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時(shí)流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時(shí)流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過(guò)增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量：而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過(guò)改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與楊程適應(yīng)管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。
由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速與出水流量Q成正比：管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即：
； 圖1-1
；
；
；
式中k,k1,k2,k3為比例常數(shù)。
當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖1-1所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的運(yùn)行特性曲線，曲線5為水泵轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的運(yùn)行特性曲線。水泵原來(lái)的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)A，此時(shí)出水流量為Q1，管網(wǎng)壓力為H1，水泵轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)系統(tǒng)的出水流量減小到Q2，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點(diǎn)B為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)壓力為H2，水泵的輸出功率正比于H2×Q2。由于H2>H1，高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過(guò)高的壓力對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至n2，曲線5和曲線2的交點(diǎn)C為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為H1，出水流量為口Q2，水泵的輸出功率正比于H1×Q2。從圖中可見(jiàn)，陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng)Q2為Q1的80%時(shí)，通過(guò)調(diào)速將n2調(diào)為n1的80％，則水泵的輸出功率P2為P1的51.2％。如不采用調(diào)速控制，48.8％的能量將被浪費(fèi)?？梢?jiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
3.2常用的調(diào)速方式
水泵多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：
式中： ：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速
：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)
：電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率
：轉(zhuǎn)速差：
因此改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以改變轉(zhuǎn)速。
3.21變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速
在電源頻率—定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變定子繞阻的接線方法來(lái)改變極對(duì)數(shù)以電動(dòng)機(jī)一相繞組
為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù)。如果使=1，2，3等，就可以得到=3000，1500，1000等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。
3.22變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差率可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)：頻率增減少，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。
(1)交--直--交變頻器
它是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無(wú)電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。
在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。
近年來(lái)，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡(jiǎn)稱)變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。
(2)交--交變頻器
它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過(guò)交頻電路同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。
交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。
變頻技術(shù)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。
由于交—交變頻調(diào)速方式比較適用于低速度，大功率的電機(jī)，因此我們?cè)诒敬卧O(shè)計(jì)中選用交—直—交方式的變頻調(diào)速。
4．完成本課題所必須的工作條件(如工具書、實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)嶒?yàn)環(huán)境條件、某類市場(chǎng)調(diào)研、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)條件等等)及解決的辦法
工具書
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[9]、http://www.ad.siemens.com.cn/products/as/s7_200/網(wǎng)站有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、自動(dòng)化軟件的查詢，下載step—7編程軟件，學(xué)習(xí)相關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。
實(shí)驗(yàn)室
浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信電系過(guò)控實(shí)驗(yàn)室
設(shè)備與環(huán)境
1.S7-200一臺(tái)
2.三菱S500變頻器一臺(tái)
3.計(jì)算機(jī)一臺(tái)
4.西門子的STEP 7-MicroWIN V4.0編程環(huán)境
5．設(shè)計(jì)(論文)完成進(jìn)度計(jì)劃
（1）第01周至第03周：查閱相關(guān)網(wǎng)站及英文資料（并翻譯一篇外文資料），收集有關(guān)S7-200、變頻器、低壓電器、Siemens Step7 編程軟件的資料。
（2）第04周至第04周：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告。
（3）第05周至第12周：根據(jù)系統(tǒng)組成原理及給定的供水流量、壓力和電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行變頻器、S7-200模擬量擴(kuò)展單元、壓力傳感器等的選型，設(shè)計(jì)恒壓供水系統(tǒng)硬件原理系統(tǒng)，設(shè)定變頻器特性，編制程序，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)具有定時(shí)換泵和系統(tǒng)聲、光報(bào)警等多種保護(hù)功能，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并分析仿真結(jié)果。
（4）第13周至第15周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手稿及最終電腦打印的畢業(yè)論文；
（5）第16周：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）小組答辯；
（6）第17周：答辯。
6．指導(dǎo)教師審閱意見(jiàn)
指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日
7．教研室主任意見(jiàn)
教研室主任(簽字)： 系(簽章)
年 月 日
說(shuō)明：
1. 本報(bào)告必須由承擔(dān)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書”、正式開(kāi)始做畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的第2周或第3周末之前獨(dú)立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。
2.每個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題撰寫本報(bào)告一份，作為指導(dǎo)教師、教研室主任審查學(xué)生能否承擔(dān)該畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)課題任務(wù)的依據(jù)，并接受學(xué)校的抽查。
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浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述）
文獻(xiàn)綜述
摘 要：傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問(wèn)題，本文采用控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。
通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。
關(guān)鍵字：恒壓供水，控制，變頻器，
一、 引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年。我國(guó)人均日生活用水量(包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水)由175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2％，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。而另一方面，在全國(guó)的666個(gè)城市中有330個(gè)不同程度缺水，其中嚴(yán)重缺水的達(dá)108個(gè)；在32個(gè)百萬(wàn)人口以上的特大城市中，有30個(gè)城市長(zhǎng)期受缺水的困擾，特別是水資源短缺地區(qū)的城市，水的供需矛盾尤為突出。由于供水不足，城市工業(yè)每年的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2300億元；同時(shí)給城市居民生活造成許多困難和不便，成為城市社會(huì)中的一種隱患。
在供水企業(yè)中，水泵的電能消耗及設(shè)備的維護(hù)管理費(fèi)用。在生產(chǎn)成本中占有很大的比例：水泵電機(jī)作為一種高耗能通用機(jī)械，其耗電量占全國(guó)總耗電量的21％以上，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看。很不經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為水泵電機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)，對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。
二、恒壓供水技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
本課采用和變頻調(diào)速技術(shù)研制控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了各自的閉環(huán)控制系統(tǒng)。每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。由于中小型自來(lái)水廠的自動(dòng)化技術(shù)改造在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿洼^高的推廣價(jià)值。
1、 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀
進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開(kāi)發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
是一門綜合技術(shù)，其發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)。隨著可編程序控制器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝小型化和大型化兩個(gè)方向發(fā)展。
2、變頻調(diào)速技術(shù)在恒壓供水技術(shù)中的發(fā)展?fàn)顩r
近年來(lái)，交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個(gè)世紀(jì)變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個(gè)龐大的電力行業(yè)。但長(zhǎng)期以來(lái)，交流電的頻率卻一直固定而不能受人為控制。變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變成可以利用的資源。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人民生活正趨向于高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量和現(xiàn)代化。在居民生活用水供水系統(tǒng)中，由于高層建筑越來(lái)越高，采用傳統(tǒng)設(shè)備不能滿足高層建筑高水壓、大流量的快速供水需求。另外，在現(xiàn)代供水需求中，供水量是隨機(jī)變化的，如果采用傳統(tǒng)供水方式，難以保證供水的實(shí)時(shí)性，且能量浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，變頻調(diào)速恒壓供水方式可以很好地克服傳統(tǒng)供水方法的缺點(diǎn)，成為一種很有發(fā)展前途的供水方式。
3、模糊控制理論在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[6、8、9、12]
在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，利用模糊控制的相關(guān)理論，把系統(tǒng)輸入的壓力、流量等傳感器信號(hào)以及系統(tǒng)的輸出變量進(jìn)行了模糊化處理，然后結(jié)合根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)等制成的控制規(guī)則表，經(jīng)過(guò)模糊推理，得到了系統(tǒng)控制的模糊控制表。在實(shí)時(shí)控制過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)查找模糊控制表把實(shí)時(shí)采集的壓力等輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成輸出，然后通過(guò)模糊決策得到輸出的清晰量，最后系統(tǒng)根據(jù)該清晰量進(jìn)行電機(jī)變頻控制，完成了恒壓控制的模糊控制過(guò)程。
三、變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理
1、水泵工況點(diǎn)的確定以及變化[2、7]
水泵工作點(diǎn)（工況點(diǎn)）是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。如圖3-1、3-2、3-3所示。
圖3-1 水泵工作點(diǎn)的確定 圖3-2水泵工況點(diǎn)的變化
圖3-3 水泵變速恒壓工況 圖3-4變頻調(diào)速恒壓供水水泵工況調(diào)節(jié)圖
2、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵工況調(diào)節(jié)過(guò)程
交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系：
（3-1）
式3-1中：—極對(duì)數(shù),—轉(zhuǎn)差率
因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。見(jiàn)圖3-4。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過(guò)VVVF降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)慕档偷?。另外根?jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速,可使供水泵流量、揚(yáng)程和軸功率以相應(yīng)規(guī)律改變。
（3-2）
（3-3）
（3-4）
或 （3-5）
式3-5是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。
3、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定
考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%-100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。
四、系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與工作過(guò)程
變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。未接工控計(jì)算機(jī)，壓力傳感器采樣水壓力信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給控制器, 控制器根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)運(yùn)算，發(fā)出指令，對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行工頻和變頻之間的切換。
圖5-1 恒壓供水系統(tǒng)方案圖
五、設(shè)計(jì)總結(jié)及展望
S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較完備的，但是并非沒(méi)有有待改進(jìn)之處，例如該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為４組泵，它的可擴(kuò)充性就沒(méi)有再設(shè)計(jì)中被充分考慮到，如果遇到大型水廠，需要更多泵組，那么該設(shè)計(jì)就基本沒(méi)有用武之地，需要重新設(shè)計(jì)，又如，該系統(tǒng)的保護(hù)功能并不完整，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)置２組變頻器，防止其中一組出錯(cuò)時(shí)造成事故，這樣也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，連續(xù)工作時(shí)間，減少故障損失。
展望未來(lái)，以后的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該改進(jìn)我上述不足之處，以提高整體系統(tǒng)的性能。降低錯(cuò)誤率。
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摘 要
傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)存在著占地面積大、建設(shè)費(fèi)用高、管理維護(hù)復(fù)雜困難、供水質(zhì)量低下等缺點(diǎn)和不足。為了解決這些問(wèn)題，本文采用控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)研究恒壓供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器、壓力傳感器一起組成了兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)每天24小時(shí)不間斷按預(yù)先設(shè)定的水壓恒定地向城市供水，保證了水廠的不間斷生產(chǎn)。
通過(guò)該項(xiàng)目的研制和應(yīng)用，不僅能夠節(jié)約寶貴的水、電資源，降低了生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)，降低維修成本；而且提高了整個(gè)水廠的生產(chǎn)調(diào)度管理水平，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的提高了生產(chǎn)率。
關(guān)鍵字：恒壓供水，控制，變頻器，
ABSTRACT
Traditional water supply system has the shortages including occupying wide surface area、high expenses、management complex and difficult、water pollution again, and so on. In order to solve these problems, this paper combines control technology and transducer technology to research constant pressure water supply system. Two independent sub-systems are irrespectively built with water place sensor and pressure sensor. The finished system can fulfill constantly supplying water to city day and night according to the water pressure given to assure the continuously produce.
With the research and use of this project, we can save large sum of precious water、electrical source, and decrease the produce price, reduce device management and lessen repair price. Moreover, this system also can improve the lever of produce and management, lighten the work’s strength, and increase the productivity.
Key Words: constant water supply system, control transducer,
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義[1、2、7、9] 1
1.2 恒壓供水的特點(diǎn) 1
1.2.1 恒壓供水方式討論 1
1.2.2 恒壓供水的實(shí)現(xiàn) 2
1.3 現(xiàn)行高樓供水的模式[19] 2
1.3.1 恒速泵供水 2
1.3.2 高位水箱供水 2
1.3.3 氣壓罐供水 3
1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 3
第2章 變頻調(diào)速恒壓供水分析 4
2.1 變頻恒壓供水的工藝調(diào)節(jié)過(guò)程介紹[6] 4
2.2 調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建[25-29] 4
2.2.1 調(diào)速原理 4
2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成 5
2.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計(jì)算方法[12、13] 5
2.2.4 變頻恒壓供水頻率變化分析 7
2.3 節(jié)能分析[3] 8
2.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性[14-18，36，37] 8
2.3.2 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理 11
第3章 恒壓供水系統(tǒng) 13
3.1 系統(tǒng)概述[31] 13
3.2 控制系統(tǒng)的組成 13
3.2.1 供水系統(tǒng)的組成 13
3.2.2 系統(tǒng)功能說(shuō)明 13
3.3 恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理及調(diào)速泵的調(diào)速原理 14
3.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 14
3.3.2 調(diào)速泵系統(tǒng)構(gòu)成 14
3.4 變頻器[6] 14
3.4.1 變頻器輸入輸出接口 14
3.4.2 變頻器外圍設(shè)備的選擇及保養(yǎng) 15
3.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) 16
第4章 可編程控制器PLC 17
4.1 的定義[20-22] 17
4.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向 17
4.3 的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域 18
4.3.1 可編程序控制器的特點(diǎn) 18
4.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較 19
4.3.3 可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域 19
4.3.4 在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題 20
4.4 我國(guó)常用的性能比較研究 20
4.4.1 的一般結(jié)構(gòu) 20
4.4.2 基本工作原理 22
4.5 我國(guó)常用的性能特點(diǎn) 23
4.5.1 SIMATIC S7系列 [24] 23
4.5.2 S7-200系列可編程序控制器 23
4.5.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容 24
4.5.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 24
4.5.5 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 25
4.6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26
4.6.1 軟件設(shè)計(jì)概述 26
4.6.2 軟件設(shè)計(jì) 27
4.6.3 程序設(shè)計(jì)的常用方法 28
4.6.4 程序設(shè)計(jì)步驟 29
第5章 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31
5.1 概述 31
5.2 輸入輸出分配 31
5.2.1 輸入口 31
5.2.2 輸出口 31
5.2.3 輔助觸點(diǎn) 31
5.3 控制系統(tǒng)功能介紹 32
5.4 恒壓供水系統(tǒng)的流程圖 33
5.5 控制系統(tǒng)的可靠性及應(yīng)用程序設(shè)計(jì) 34
5.5.1 程序的優(yōu)化設(shè)計(jì) 34
5.5.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì) 35
5.5.3 故障檢測(cè)程序的設(shè)計(jì) 37
第6章 系統(tǒng)調(diào)試 38
6.1 變頻器關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定 38
6.2 的調(diào)試 38
致 謝 43
附錄 PLC程序 44
46
第1章 緒論
1.1 采用恒壓供水系統(tǒng)的目的和意義[1、2、7、9]
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。我國(guó)中小城市水廠尤其是老水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)配置相對(duì)落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^(guò)程繁瑣，而且手動(dòng)控制無(wú)法對(duì)供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時(shí)做出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為了保證供水，機(jī)組通常處于超壓狀態(tài)運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長(zhǎng)期處于超壓運(yùn)行狀態(tài)，曝?fù)p也十分嚴(yán)重[7]。本文從我國(guó)中小城市供水廠的現(xiàn)狀出發(fā)，設(shè)計(jì)了一套基于的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。
1.2 恒壓供水的特點(diǎn)
恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。
1.2.1 恒壓供水方式討論
水泵多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：
（1-1）
式中：
：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速
：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速
：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)
：電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率
：轉(zhuǎn)速差：
（1-2）
因此改變，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)速差及改變電源頻率都可以改變轉(zhuǎn)速。
①變級(jí)對(duì)數(shù)調(diào)速
在電源頻率—定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變定子繞阻的接線方法來(lái)改變極對(duì)數(shù)以電動(dòng)機(jī)一相繞組為例，電流方向都是一致的，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù)。如果使等，就可以得到等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。
②變頻調(diào)速
變頻凋速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。改變電動(dòng)機(jī)定子頻率可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)差率可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn)：頻率增減少，磁通增加，會(huì)使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種：交--直--交變頻器。交--交變頻器。
? 交--直--交變頻器
它是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成：可控硅整流電路，其作用是將電壓，定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電：可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電：濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無(wú)電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。
在交--直--交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。
近年來(lái)，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型(簡(jiǎn)稱)變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。PWM交頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。
? 交--交變頻器
它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過(guò)交頻電路同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。
交--交變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好。但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。
變頻技術(shù)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。
1.2.2 恒壓供水的實(shí)現(xiàn)
恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。
而變頻調(diào)速是指靠改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。
1.3 現(xiàn)行高樓供水的模式[19]
1.3.1 恒速泵供水
恒速運(yùn)行時(shí)，一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)，這種方式的缺點(diǎn)是效率低、能耗大。也就是依靠閥門來(lái)控制供水量。
1.3.2 高位水箱供水
采用電流及電壓的相位大小等變化特性對(duì)高位水箱泵組進(jìn)行控制。供水系統(tǒng)利用高位水箱及地下水池的水位變化來(lái)自動(dòng)啟閉水泵，以向各水箱供水。改供水方式可控性差。
1.3.3 氣壓罐供水
氣壓供水設(shè)備是利用壓縮空氣的漲力將水送往用水點(diǎn)的通用供水設(shè)備。氣壓供水整套設(shè)備高壓密封，沒(méi)有外部污染，內(nèi)部不長(zhǎng)青苔。并且供水壓力可以根據(jù)需要很方便地在控制器上進(jìn)行調(diào)整，不象高位水箱當(dāng)放置的高度確定后，水壓就已確定，無(wú)法調(diào)整。但是氣壓供水能耗大，且控制水壓能力有限，不如水泵供水的壓力控制。
1.4 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，變頻恒壓供水已廣泛應(yīng)用于廠礦企業(yè)及生活、消防等供水系統(tǒng)。
S7-200控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式自動(dòng)完成泵組軟啟動(dòng)及無(wú)沖擊切換，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變以往“先啟后?！狈绞?，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡。采用硬件/軟件備用及時(shí)鐘控制功能，使各泵進(jìn)行輪休，延長(zhǎng)設(shè)備的機(jī)械使用壽命。變頻器故障時(shí)系統(tǒng)仍可運(yùn)行，保證不間斷供水。
第2章 變頻調(diào)速恒壓供水分析
2.1 變頻恒壓供水的工藝調(diào)節(jié)過(guò)程介紹[6]
泵組的切換開(kāi)始時(shí)，若硬件、軟件皆無(wú)備用（兩者同時(shí)有效時(shí)硬件優(yōu)先），1＃泵變頻啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速?gòu)拈_(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)，而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間（由內(nèi)部時(shí)間繼電器控制，目的是避免由于干擾而引起誤動(dòng)作）后，1＃泵切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由滑停至，2＃泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿足，則依次啟動(dòng)3＃、4＃泵；若開(kāi)始時(shí)1＃泵備用，則直接啟2＃變頻，轉(zhuǎn)速?gòu)模伴_(kāi)始隨頻率上升，如變頻器頻率到達(dá)，而此時(shí)水壓還在下限值，延時(shí)一段時(shí)間后，2＃泵切換至工頻運(yùn)行，同時(shí)變頻器頻率由滑停至，3＃泵變頻啟動(dòng)，如水壓仍不滿足，則啟動(dòng)4＃泵；若1＃、2＃泵都備用，則直接啟3＃變頻，具體泵的切換過(guò)程與上述類同。
同樣，如水壓在上限值，若３臺(tái)泵（假設(shè)為1＃、2＃和3＃）運(yùn)行時(shí)，3＃泵變頻運(yùn)行降到 ，此時(shí)水壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使1＃泵停止，3＃泵變頻器頻率從 迅速上升，若此后水壓仍處于上限值，則延時(shí)一段時(shí)間后使2＃泵停止。這樣的切換過(guò)程，有效地減少泵的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)水壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由變頻器迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過(guò)渡。以往的變頻恒壓供水系統(tǒng)在水壓高時(shí)，通常是采用停變頻泵，再將變頻器以工頻運(yùn)行方式切換到正在以工頻運(yùn)行的泵上進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種切換的方式，理論上要比直接切工頻的方式先進(jìn)，但其容易引起泵組的頻繁啟停，從而減少設(shè)備的使用壽命。而我們這次的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，要求直接停工頻泵，同時(shí)由變頻器迅速調(diào)節(jié)，只要參數(shù)設(shè)置合適，即可實(shí)現(xiàn)泵組的無(wú)沖擊切換，使水壓過(guò)渡平穩(wěn)，有效的防止水壓的大范圍波動(dòng)及水壓太低時(shí)的短時(shí)缺水現(xiàn)象，提高供水品質(zhì)。
2.2 調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建[25-29]
2.2.1 調(diào)速原理
異步電動(dòng)機(jī)定子三相對(duì)稱繞組空間相隔120°，當(dāng)通以三相對(duì)稱電流時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速為：
（2-1）
異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為：
（2-2）
（2-3）
式中：
：定子繞組電源頻率
：磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)
：轉(zhuǎn)差率
：同步轉(zhuǎn)速()
：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速()
2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的組成
變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖2-1所示，它主要是由（包括一塊模擬量擴(kuò)展模塊）、變頻器、壓力傳感器、液位傳感器、動(dòng)力控制線路以及若干臺(tái)水泵等組成。通過(guò)控制柜面板上的按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和指示燈來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行。
圖2-1 供水系統(tǒng)組成
2.2.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計(jì)算方法[12、13]
算法：
內(nèi)設(shè)定了一個(gè)算法，所有泵的自動(dòng)切換，變頻器的工作全部依賴這個(gè)。
原理
算法控制原則基于以下公式：
（2-4）
輸出 = 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)
式中：
：作為時(shí)間函數(shù)的回路輸出
： 回路增益
： 回路錯(cuò)誤（設(shè)定值和進(jìn)程變量之間的差別）
：回路輸出的初始值
為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)中運(yùn)行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為錯(cuò)誤值的定期樣本，并隨后計(jì)算輸出。數(shù)字計(jì)算機(jī)運(yùn)算以下列相應(yīng)的公式為基礎(chǔ)：
（2-5）
輸出 = 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)
式中：
：采樣時(shí)間的回路輸出計(jì)算值
：回路增益
： 采樣時(shí)間的回路錯(cuò)誤值
： 回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（在采樣時(shí)間）
： 積分項(xiàng)的比例常數(shù)
： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)
： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)
在該公式中，積分項(xiàng)被顯示為全部錯(cuò)誤項(xiàng)的函數(shù)，從第一個(gè)樣本至當(dāng)前樣本。微分項(xiàng)是當(dāng)前樣本和前一個(gè)樣本的函數(shù)，而比例項(xiàng)僅是當(dāng)前樣本的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)中，既不可能也沒(méi)有必要存儲(chǔ)所有的錯(cuò)誤項(xiàng)樣本。
因?yàn)閺牡谝粋€(gè)樣本開(kāi)始，每次對(duì)錯(cuò)誤采樣時(shí)數(shù)字計(jì)算機(jī)都必須計(jì)算輸出值，因此僅需存儲(chǔ)前一個(gè)錯(cuò)誤值和前一個(gè)積分項(xiàng)數(shù)值。由于數(shù)字計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果的重復(fù)性，可在任何采樣時(shí)間對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的公式為：
（2-6）
輸出=比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)
式中：
： 采樣時(shí)間的回路輸出計(jì)算值
： 回路增益
： 采樣時(shí)間的回路錯(cuò)誤值
： 回路錯(cuò)誤的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間）
： 積分項(xiàng)的比例常數(shù)
： 積分項(xiàng)的前一個(gè)數(shù)值（采樣時(shí)間）
： 微分項(xiàng)的比例常數(shù)
計(jì)算回路輸出值時(shí)，使用對(duì)上述簡(jiǎn)化公式的修改格式。修改后的公式為：
（2-7）
輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)
式中：
： 采樣時(shí)間的回路輸出計(jì)算值
： 采樣時(shí)間的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值
： 采樣時(shí)間的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值
： 采樣時(shí)間的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值
比例項(xiàng)
比例項(xiàng)是增益和錯(cuò)誤（）的乘積，其中增益控制輸出計(jì)算的敏感度，錯(cuò)誤是在某一特定采樣時(shí)間設(shè)定值（）和進(jìn)程變量（）之間的差。采用的計(jì)算比例項(xiàng)的公式為：
（2-8）
式中：
： 采樣時(shí)間的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值
： 回路增益
： 采樣時(shí)間的設(shè)定值數(shù)值
： 采樣時(shí)間的進(jìn)程變量數(shù)值
積分項(xiàng)
積分項(xiàng)MI在時(shí)間上與錯(cuò)誤（）和成比例。采用的積分項(xiàng)公式為：
（2-9）
式中：
： 采樣時(shí)間的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值
： 回路增益
： 回路采樣時(shí)間
： 積分時(shí)間（亦稱為積分時(shí)間或復(fù)原）
： 采樣時(shí)間的設(shè)定值數(shù)值
： 采樣時(shí)間的進(jìn)程變量數(shù)值
： 采樣時(shí)間的積分項(xiàng)數(shù)值（亦稱為積分和或偏差）
積分和或偏差（）是積分項(xiàng)所有先前數(shù)值的運(yùn)行和。每次計(jì)算后，根據(jù)的數(shù)值更新偏差，該數(shù)值可能被調(diào)節(jié)或截?。ㄔ斍檎?qǐng)參閱"變量和范圍"一節(jié)）。偏差的初始值通常被設(shè)為第一次回路輸出計(jì)算之前的輸出值。其他幾個(gè)常數(shù)也是積分項(xiàng)的一部分，例如增益、采樣時(shí)間（即回路重新計(jì)算輸出值的循環(huán)時(shí)間）以及積分時(shí)間或復(fù)原（即用于控制積分項(xiàng)對(duì)輸出計(jì)算影響的時(shí)間）。
微分項(xiàng)
微分項(xiàng)與錯(cuò)誤變化成比例。計(jì)算微分項(xiàng)的公式為：
（2-10）
為了避免步驟改變或由于對(duì)設(shè)定值變化求導(dǎo)帶來(lái)的輸出變化，對(duì)該公式進(jìn)行修改，假定設(shè)定值為常數(shù) 。如下所示，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算進(jìn)程變量的變化，而不計(jì)算錯(cuò)誤的變化：
（2-11）
或者
（2-12）
： 采樣時(shí)間的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值
： 回路增益
： 回路采樣時(shí)間
： 回路微分階段（亦稱為微分時(shí)間或速率）
： 采樣時(shí)間的設(shè)定值數(shù)值
： 采樣時(shí)間的設(shè)定值數(shù)值
： 采樣時(shí)間的進(jìn)程變量數(shù)值
： 采樣時(shí)間的進(jìn)程變量數(shù)值
必須保存進(jìn)程變量，而不必保存錯(cuò)誤，用于下一次微分項(xiàng)計(jì)算。第一次采樣時(shí)，數(shù)值被初始化，等于。
變頻恒壓供水頻率變化分析
交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率的關(guān)系如下：
（2-13）
式中：是級(jí)對(duì)數(shù)，是轉(zhuǎn)差率
因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況目的。
圖2-2 變頻調(diào)速的水泵特性曲線
2.3 節(jié)能分析[3]
2.3.1 水泵的基本參數(shù)和特性[14-18，36，37]
水泵工作參數(shù)共有六個(gè)，即:流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速及允許吸上真空高度或氣穴余量。在六個(gè)參數(shù)中，流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速是基本參數(shù)，只要其中一個(gè)發(fā)生變化，其余參數(shù)都會(huì)按照一定的規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的變化。
1.流量
水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。
2.揚(yáng)程
水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，可以由水泵進(jìn)水口、出水口斷面上的單位總能量，的差值表示，其單位以計(jì)。水泵揚(yáng)程可用下式表示為
（2-14）
式中：Z 1, Z2——分別為真空表測(cè)壓點(diǎn)、壓力表零位點(diǎn)至基準(zhǔn)面的垂直距離，低于基準(zhǔn)面時(shí)取負(fù)值()。
式中：
——分別為真空表、壓力表讀數(shù) ()。
為水泵進(jìn)，出水口斷面的流速水頭()。
3.功率
水泵功率有以下兩種，有效功率和軸功率。
有效功率為泵內(nèi)液體實(shí)際所獲得的凈功率()，可以根據(jù)流量和揚(yáng)程來(lái)計(jì)算。
（2-15）
式中：
為液體的比重（）
為液體的流量（）
為水泵的揚(yáng)程（）。
軸功率是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來(lái)功率，即由動(dòng)力機(jī)傳給水泵軸上的功率()。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功功率。
（2-16）
式中：
： 水泵效率（%）
4.效率
有效功率與軸功率的比值為效率。
（2-17）
水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。它由泵內(nèi)水力效率、機(jī)械效率及容積效率等三個(gè)局部效率組成。
(1) 機(jī)械損失與機(jī)械效率
機(jī)械損失包括軸與軸承的磨擦損失、軸與填料函的磨擦損失以及葉輪在水中旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的損失即輪盤損失。水泵克服了機(jī)械損失之后，把剩下的功率傳給所抽的水，這部分功率叫做水功率。
（2-18）
式中：
： 流過(guò)葉輪的全部流量
： 漏損量
： 水泵理論揚(yáng)程
機(jī)械損失的大小用機(jī)械效率表示
（2-19）
(2)容積損失與容積效率
在流過(guò)葉輪的全部流量中，除了出水量外，另有一部分流量，經(jīng)過(guò)減漏環(huán)的間隙或軸流泵葉輪外緣與泵殼的間隙流回進(jìn)水側(cè)，以及經(jīng)過(guò)填料函滲出泵外，流量帶走的功率為
（2-20）
剩余的功率為：
（2-21）
容積損失可用容積效率，表示
（2-22）
各式帶入上式后的：
（2-23）
(2) 水力損失與水力效率
水泵吸入室、葉槽、壓出室中的磨擦阻力、旋渦及撞擊等引起的水力損失，可用水力效率表示
（2-24）
用乘以上式右端可的：
（2-25）
由上式可見(jiàn)水泵效率，是三個(gè)局部效率的乘積。要提高水泵效率，必須盡量減少機(jī)械磨擦和漏水量，并力求改善過(guò)流部分的設(shè)計(jì)和提高制造、裝配質(zhì)量。
5.轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)速是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。水泵銘牌上所標(biāo)明的額定轉(zhuǎn)速是設(shè)計(jì)工況時(shí)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。
6.允許吸上真空高度或臨界氣穴余量
二者是表征水泵吸水性能曲線或氣穴性能的參數(shù)，它們是確定水泵安裝高度和評(píng)述水泵發(fā)生氣穴與氣蝕問(wèn)題的主要參數(shù)。
工況點(diǎn)調(diào)節(jié)方法：
在選擇和使用水泵的實(shí)踐中，常常會(huì)出現(xiàn)確定的工作點(diǎn)偏離水泵設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，以至引起水泵裝置效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，這就必須采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來(lái)移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。這種方法叫做水泵工況的調(diào)節(jié)?，F(xiàn)將常用的幾種調(diào)節(jié)方法分述如下。
1.車削調(diào)節(jié)
沿外徑車小離心泵的葉輪，可以改變水泵的性能曲線，從而擴(kuò)大水泵的使用范圍，這種方法稱為車削調(diào)節(jié)。離心泵葉輪車削不能超出某一范圍，否則原來(lái)的構(gòu)造被破壞，使葉片末端變粗，使葉輪和泵殼之間間隙過(guò)大，增加回流損失，以致水利效率降低。因而使用單位一般不采用這種調(diào)節(jié)方法來(lái)改變水泵工作點(diǎn)。
2.變角調(diào)節(jié)
通過(guò)改變?nèi)~片安裝角，使水泵性能曲線改變的方法成為水泵工況的變角調(diào)節(jié)，它適用于葉片安放角可以改變的軸流泵及混流泵，并不適合離心泵，因此這里不作詳述。
3.節(jié)流調(diào)節(jié)
對(duì)于出水管路中裝有閘閥的水泵裝置來(lái)說(shuō)，當(dāng)把閘閥關(guān)小時(shí)，由于在管路中增加了一個(gè)局部阻力，則管路性能曲線變陡，于是，其工作點(diǎn)就沿著水泵的H—Q曲線朝著流量減小的方向移動(dòng)。閘閥關(guān)得越小，附加阻力越大，流量就變得越小。這種通過(guò)關(guān)小閘閥來(lái)改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。
4.變速調(diào)節(jié)
變速調(diào)節(jié)是通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速，可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況以擴(kuò)大水泵使用范圍的目的。變速調(diào)節(jié)就是對(duì)水泵相似理論的應(yīng)用。
2.3.2 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理
水泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時(shí)流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時(shí)流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過(guò)增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量：而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過(guò)改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與楊程適應(yīng)管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。
圖2-2 變頻調(diào)速節(jié)能原理
由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速與出水流量Q成正比：管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，即：
（2-26）
（2-27）
（2-28）
（2-29）
上面各式中為比例常數(shù)。
當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水水泵轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理田如圖2-2所示。圖中曲線1、2、3為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線4為水泵轉(zhuǎn)速為時(shí)的運(yùn)行特性曲線，曲線5為水泵轉(zhuǎn)速為時(shí)的運(yùn)行特性曲線。水泵原來(lái)的工作點(diǎn)為曲線3和曲線4的交點(diǎn)，此時(shí)出水流量為，管網(wǎng)壓力為，水泵轉(zhuǎn)速為。當(dāng)系統(tǒng)的出水流量減小到，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線1。曲線1和曲線4的交點(diǎn)為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)壓力為，水泵的輸出功率正比于。由于，高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過(guò)高的壓力對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至，曲線5和曲線2的交點(diǎn)為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為，出水流量為口，水泵的輸出功率正比于。從圖中可見(jiàn)，陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng)為的80%時(shí)，通過(guò)調(diào)速將調(diào)為的80％，則水泵的輸出功率為的51. 2％。如不采用調(diào)速控制，48.8％的能量將被浪費(fèi)?？梢?jiàn)變頻調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
第3章 恒壓供水系統(tǒng)
3.1 系統(tǒng)概述[31]
恒壓供水是指用戶段不管用水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定，這樣，既可滿足各部位的用戶對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。
為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本系統(tǒng)利用和數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)，通過(guò)控制算法控制變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制管網(wǎng)水壓的目的。
3.2 控制系統(tǒng)的組成
3.2.1 供水系統(tǒng)的組成
圖3-1 恒壓供水系統(tǒng)原理圖
3.2.2 系統(tǒng)功能說(shuō)明
本系統(tǒng)主要可以分為手動(dòng)和自動(dòng)兩大塊，手動(dòng)狀態(tài)下又可分為強(qiáng)制關(guān)閉和強(qiáng)制工頻自動(dòng)運(yùn)行時(shí)能進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)行加泵，減泵，在手動(dòng)狀態(tài)下也能進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，能通過(guò)運(yùn)算及加，減泵控制水壓，防止出現(xiàn)超壓，欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。
3.3 恒壓供水系統(tǒng)的機(jī)理及調(diào)速泵的調(diào)速原理
3.3.1 恒壓供水系統(tǒng)的工作原理
1.當(dāng)處于手動(dòng)狀態(tài)下：
在手動(dòng)狀態(tài)下會(huì)先檢測(cè)是否有強(qiáng)制工頻或強(qiáng)制關(guān)閉的泵，如果有則在開(kāi)始運(yùn)行時(shí)就先把被強(qiáng)制的泵按要求運(yùn)行或停止，如果處于手動(dòng)檔但又沒(méi)有指定任何一臺(tái)泵的工作狀態(tài)則按自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行。當(dāng)有泵處于強(qiáng)制狀態(tài)時(shí)，各泵對(duì)應(yīng)的輔助觸點(diǎn)會(huì)被置1，其余泵如果按自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)到一定時(shí)間（加泵或減泵），需要用到被強(qiáng)制的泵時(shí)會(huì)因輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)自動(dòng)跳過(guò)被強(qiáng)制的泵，而繼續(xù)使再下一個(gè)泵工作或停止。
2. 當(dāng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下：
在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，是不會(huì)檢測(cè)有無(wú)被強(qiáng)制的泵。因此，此時(shí)要注意使用安全。
3.啟動(dòng)泵：
按1，2，3，4的順序依次變頻啟動(dòng)4個(gè)泵，當(dāng)泵運(yùn)行與一段時(shí)間（具體時(shí)間由實(shí)驗(yàn)的出，暫定為1分鐘）后算法所得結(jié)果依然不滿足水壓要求會(huì)增加下一個(gè)泵。（如所有泵已經(jīng)工作則啟動(dòng)報(bào)警，提示全泵組工作，但依然欠壓。此時(shí)可按取消報(bào)警停止報(bào)警）
4.停止泵：
停泵時(shí)并非按4，3，2，1的順序停止，因?yàn)槿绻@樣停會(huì)使泵的啟動(dòng)與停止過(guò)于頻繁對(duì)泵組的損耗太大。因此在這里當(dāng)算法的出結(jié)果需要減泵時(shí)會(huì)直接關(guān)斷處于變頻運(yùn)行泵前面的，離變頻運(yùn)行的泵最近的，沒(méi)有被強(qiáng)制的泵。（如果所有泵全部處于關(guān)閉，只有一個(gè)泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)則停止該泵并發(fā)出超壓報(bào)警，此時(shí)可按取消報(bào)警來(lái)取消報(bào)警）
3.3.2 調(diào)速泵系統(tǒng)構(gòu)成
由四臺(tái)泵構(gòu)成，無(wú)主次之分，使各泵對(duì)壓力更為平均。因?yàn)樽冾l器設(shè)計(jì)有停止特定泵的功能，所以檢修時(shí)也更為方便。
3.4 變頻器[6]
3.4.1 變頻器輸入輸出接口
下圖為兩相220V電壓下的接線圖
圖3-3 變頻器兩相220V電壓接線圖
下圖為三相380V電壓下的接線圖：
圖3-2 變頻器三相380V電壓接線圖
3.4.2 變頻器外圍設(shè)備的選擇及保養(yǎng)
1、冷卻風(fēng)扇
為冷卻主回路半導(dǎo)體元件等發(fā)熱零件而使用的冷卻風(fēng)扇軸承的壽命為1-3.5萬(wàn)小時(shí)。因此，在連續(xù)運(yùn)行的裝置中，通常2-3年為一個(gè)周期，應(yīng)更換冷卻風(fēng)扇。
此外，在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)異常聲音，異常振動(dòng)時(shí)，冷卻風(fēng)扇必須立即更換。
2、平波電容
在主回路直流部分作為平滑用使用大容量的鋁電解電容，在控制回路使用了穩(wěn)定控制電源的鋁電解電容，由于脈動(dòng)電流等等的影響其特性會(huì)變差。這受周圍環(huán)境和使用條件的影響很大，在通常的空調(diào)環(huán)境下使用時(shí)，約10年更換一次。
電容的惡化經(jīng)過(guò)一定時(shí)期會(huì)急速地加快，因此，檢查周期最少為一年(接近壽命的希望在半年以下)檢查一次。
檢查時(shí)外觀的判斷基準(zhǔn)
①外殼的狀態(tài):外殼的側(cè)面，底面是否膨脹
②封口板的狀態(tài):顯眼的彎曲，極端的裂痕
③是否有其它、外觀、包裝裂痕、變色和漏出液體等等，定量地當(dāng)電容器到了額定容量85%下時(shí)，就應(yīng)更換電容。
3.5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)
1、滯后性
供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是用戶管網(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、非線性
用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。
3、多變性
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的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。
4、時(shí)變性
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(包括定量泵的停止和運(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)變的。
第4章 可編程控制器PLC
4.1 的定義[20-22]
可編程控制器((Programmable Controller)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱，它主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大的超過(guò)了邏輯控制的范圍。因此，今天這種裝置稱作可編程控制器，簡(jiǎn)稱PC。但是為了避免與個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer )的簡(jiǎn)稱混淆，所以將可編程控制器簡(jiǎn)稱。
為了使生產(chǎn)和發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際電工委(IEC)先后頒布了標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通過(guò)對(duì)它的定義:
“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外部設(shè)備，都按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的[1,6]。
總之，可編程控制器是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的計(jì)算機(jī)。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對(duì)某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其硬件需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進(jìn)行設(shè)計(jì)編制。
4.2 的發(fā)展階段及發(fā)展方向
1、的發(fā)展階段
雖然問(wèn)世時(shí)間不長(zhǎng)，但是隨著微處理器的出現(xiàn)，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)據(jù)通迅技術(shù)的不斷進(jìn)步，也迅速發(fā)展，其發(fā)展過(guò)程大致可分為三個(gè)階段[17]：
(1)早期的（60年代末～70年代中期)
早期的一般稱為可編程邏輯控制器。這時(shí)的多少有點(diǎn)繼電器控制裝置的替代物的含義，其主要功能只是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制，定時(shí)等。早期的的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易懂，便于安裝，體積小，能耗低，有故障指使，能重復(fù)使用等。其中特有的編程語(yǔ)言—梯形圖一直沿用至今。
(2)中期的(70年代中期～80年代中、后期)
在70年代，微處理器的出現(xiàn)使發(fā)生了巨大變化。美國(guó)、日本、德國(guó)等一些廠家先后開(kāi)始采用微處理器作為的中央處理單元()。這樣，使得功能大大增強(qiáng)。在軟件方面，除了保持其原有的邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。在硬件方面，除了保持其原有的開(kāi)關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程模塊、各種特殊功能模塊，使得應(yīng)用范圍得以擴(kuò)大。
(3)近期的(80年代中、后期至今)
進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，使得各種類型的所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高的處理速度，各制造廠商還紛紛研制開(kāi)發(fā)了專用邏輯處理芯片。這樣使得軟、硬件功能發(fā)生了巨大變化。
2、的發(fā)展方向
是一門綜合技術(shù)，其發(fā)展與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)。隨著可編程序控制器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，它本身也在不斷發(fā)展。目前主要朝兩個(gè)方向發(fā)展[4、5]。
(1)小型化方向發(fā)展
目前的小型大都局限在開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，而且和1/O部件組裝在一個(gè)箱體內(nèi)，今后的小型也將增加模擬量的處理功能，而且也將有靈活的組態(tài)特性，并且能與其它機(jī)型連用。
小型的基本特點(diǎn)是價(jià)格低廉、經(jīng)濟(jì)可靠，適用于回路或設(shè)備的單機(jī)控制，便于“機(jī)電儀”一體化。但免不了要犧牲一些用戶使用的方便性。既要簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，又要不斷增強(qiáng)功能和使用的方便性是小型的發(fā)展方向。
(2)大型化方向發(fā)展
主要包含以下幾個(gè)方面:
①功能不斷加強(qiáng):不僅具有邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、定時(shí)等基本功能，還具數(shù)值運(yùn)算、模擬調(diào)節(jié)、監(jiān)控、記錄、顯示、與計(jì)算機(jī)接口、通訊等功能。
②網(wǎng)絡(luò)功能是發(fā)展的一個(gè)重要特征。各種個(gè)人計(jì)算機(jī)，圖形工作站、小型機(jī)等都可以作為的監(jiān)控主機(jī)或工作站，這些裝置的結(jié)合能夠提供屏幕顯示、數(shù)據(jù)采集、記錄保持、回路面板顯示等功能。大量的聯(lián)網(wǎng)及不同廠家生產(chǎn)的兼容性增加，使得分散控制或集中管理都能輕易地實(shí)現(xiàn)。
③應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大:不僅能進(jìn)行一般的邏輯控制，還能進(jìn)行中斷控制、智能控制、過(guò)程控制為、遠(yuǎn)程控制等。
④用于過(guò)程控制的往往對(duì)存貯器容量及速度要求較高，為此，開(kāi)發(fā)了高速模擬量輸入模塊，專用獨(dú)立的控制器，多路轉(zhuǎn)換器等，使得數(shù)字技術(shù)和模擬量技術(shù)在可編程序控制器中得到統(tǒng)一。
⑤編程軟件的多樣化和高級(jí)化:采用多種編程語(yǔ)言，有面向順序語(yǔ)言和面向過(guò)程控制系統(tǒng)的流程圖語(yǔ)言;還有與計(jì)算機(jī)兼容的高級(jí)語(yǔ)言，如BASIC, C及匯編語(yǔ)一言;另外還有專用的高級(jí)語(yǔ)言，例如三菱的MELSAP采用編譯的方法將語(yǔ)句變?yōu)樘菪螆D程序;也有采用布爾邏輯語(yǔ)言的。也將具有數(shù)據(jù)庫(kù)，并可實(shí)現(xiàn)整
用網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)共享。還將不斷發(fā)展自適應(yīng)控制和專家系統(tǒng)。
⑥構(gòu)成形式的分散化和集散化:與I/0口分散，本身也可分散，分散的可以連用，這樣可將集中控制存在的“危險(xiǎn)集中”化為“危險(xiǎn)分散”。分散的與上位機(jī)結(jié)合構(gòu)成集散系統(tǒng)，分散地進(jìn)行控制，這就便于構(gòu)成多層分布式控制，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠或企業(yè)的自動(dòng)化控制和管理。
4.3 的特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域
4.3.1 可編程序控制器的特點(diǎn)
可編程序控制器的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面[9],
1、 編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)
中配備了易于接受和掌握的梯形圖語(yǔ)言。梯形圖語(yǔ)言的電路符號(hào)和表達(dá)方式與繼電器電路原理圖相當(dāng)接近，只用的20多條開(kāi)關(guān)量邏輯控制指令就可以實(shí)現(xiàn)繼電器的功能。
2、 硬件配套齊全，用戶使用方便
配有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用，用戶不必自己設(shè)計(jì)和制作硬件裝置。的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。
3、 通用性強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)
由于的系列化和模塊化，硬件配置相當(dāng)靈活，可以組成能滿足各種控制要求的控制系統(tǒng)。硬件配置確定后，可以通過(guò)修改用戶程序，方便快速的適應(yīng)工藝條件的變化。
4、 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
用軟件取代了繼電器系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障的大量觸電和接線。除此之外，還采取了一系列抗干擾.提高可靠性的措施。
5、 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少
用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。
現(xiàn)代可編程序控制器在控制領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的重視，并得到廣泛的應(yīng)用，過(guò)去許多采用微型算計(jì)機(jī)、單板/單片計(jì)算機(jī)和集散控制系統(tǒng)的場(chǎng)合己逐漸被可編程序控制器及其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)所取代，這是和自身的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。
4.3.2 可編程序控制器與繼電器控制系統(tǒng)的比較
與繼電器均可用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。的梯形圖與繼電器的電路圖對(duì)邏輯關(guān)系的表達(dá)方式相同，它們所用的很多電路元件符號(hào)相似，梯形圖中的有的編程元件也稱為繼電器，如:輸入繼電器、輸出繼電器等。
1、 工作原理
繼電器控制系統(tǒng)的控制功能是用硬件繼電器實(shí)現(xiàn)的，而的控制功能主要是用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5]。
2、 功能
采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)處理、閉環(huán)控制和通訊聯(lián)網(wǎng)等功能。繼電器控制也可實(shí)現(xiàn)順序控制，但其功能有限。
3、 可靠性、可維護(hù)性與靈活性
繼電器系統(tǒng)的可靠性差，復(fù)雜的繼電器系統(tǒng)，其故障診斷與排除比較困難，繼電器系統(tǒng)的控制功能被固定在系統(tǒng)線路中，功能單一，不易修改，靈活性較差。
控制系統(tǒng)的功能是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，可靠性高，故障率極低，并且很容易診斷和排除故障，控制系統(tǒng)的柔性很強(qiáng)，僅需修改梯形圖就可改變其控制功能。
4.3.3 可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域
隨著的性能價(jià)格比的不斷提高，過(guò)去許多采用專用計(jì)算機(jī)或繼電器控制的場(chǎng)合，都可使用來(lái)代替。的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個(gè)方面:
1、 開(kāi)關(guān)量邏輯控制
這是最廣泛的應(yīng)用。邏輯控制是用取代傳統(tǒng)繼電器和順序控制器，實(shí)現(xiàn)單機(jī)或自動(dòng)化生產(chǎn)線控制。的輸入/輸出信號(hào)都是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，這種控制與繼電器控制非常接近，常作為繼電器控制的替代方式。
2、 運(yùn)動(dòng)控制
運(yùn)動(dòng)控制是指通過(guò)配用生產(chǎn)廠家提供的單軸或多軸等位置控制模塊、高速計(jì)數(shù)模塊等來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，從而使運(yùn)動(dòng)部件能以適當(dāng)?shù)乃俣然蚣铀俣葘?shí)現(xiàn)平滑的直線運(yùn)動(dòng)或圓周運(yùn)動(dòng)。
3、 閉環(huán)過(guò)程控制
通過(guò)配用AID, D/A轉(zhuǎn)換模塊及智能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、速度等連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，使這些物理參數(shù)保持在設(shè)定值上。
4、 數(shù)據(jù)處理
現(xiàn)代具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。
5、 通信
的通信包括之間的通信、和其它智能設(shè)備的通信。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的可以實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
4.3.4 在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的問(wèn)題
在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用越來(lái)越普及，的種類、生產(chǎn)廠家也越來(lái)越多，但目前缺少對(duì)它們應(yīng)用環(huán)境，性能指標(biāo)的對(duì)比研究?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很多，但對(duì)其缺少系統(tǒng)的、完整的介紹。特別是系統(tǒng)的抗干擾、防雷的措施，有待系統(tǒng)的研究。隨著網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在對(duì)其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究就顯得尤為重要。
4.4 我國(guó)常用的性能比較研究
4.4.1 的一般結(jié)構(gòu)
用可編程控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換予以物理實(shí)現(xiàn)。輸入輸出變換和物理實(shí)現(xiàn)可以說(shuō)是實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，而輸入輸出變換實(shí)際上就是信息處理。物理實(shí)現(xiàn)要求的輸入應(yīng)當(dāng)排除干擾信號(hào)適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，而輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用。這就要求系統(tǒng)電路專門設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)施控制的基本點(diǎn)的分析，采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是,RAM,ROM和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成[10，11]。如圖4.1所示。
輸
入
接
口
存儲(chǔ)器
中
央處理單元
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
輸出接口
編程
單元
圖4.1 PLC的一般結(jié)構(gòu)
1、中央處理機(jī)
中央處理機(jī)是的大腦，它由中央處理器()組成。
中央處理器()一般由控制電路、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路一般都集成在一塊芯片上。通過(guò)地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出()接口電路相連接。
2、存儲(chǔ)器
存儲(chǔ)器是具有記憶功能的半導(dǎo)體電路，用來(lái)存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。
系統(tǒng)程序是用來(lái)控制和完成各種功能的程序，這些程序是由制造廠家用相應(yīng)的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM中。
用戶程序存儲(chǔ)器用來(lái)存放由編程器或計(jì)算機(jī)輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程和工藝要求編寫的控制程序，可以通過(guò)編程器或計(jì)算機(jī)修改或增刪。
3、輸入接口電路
現(xiàn)場(chǎng)輸入接口電路一般有光電耦合電路和微電腦輸入接口電路組成。
(1)光耦合電路:由于輸入和輸出端是靠光信號(hào)耦合的，在電氣上是完全隔離的，因此輸出的信號(hào)不會(huì)反饋到輸入端，也不會(huì)產(chǎn)生地線干擾或其它串?dāng)_。同時(shí)，由于發(fā)光二極管的正向阻抗值較低，而外界干擾源的內(nèi)阻一般較高，根據(jù)分壓原理可知，干擾源能饋送到輸入端的干擾噪聲很小。正是由于在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入環(huán)節(jié)采用了光電禍合，因而增強(qiáng)了抗干擾能力。
(2)微電腦輸入接口電路:它一般由數(shù)據(jù)輸入寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求邏輯電路構(gòu)成，這些電路集成在一個(gè)芯片上。現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)通過(guò)光電耦合送到數(shù)據(jù)寄存器，然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線送給。
4、輸出接口電路
一般由微電腦輸出接口電路和功率放大電路組成。
微電腦輸出接口電路:一般由輸出數(shù)據(jù)寄存器、選通電路和中斷請(qǐng)求電路集成而成。通過(guò)數(shù)據(jù)總線將要輸出的信號(hào)放到輸出數(shù)據(jù)寄存器中。
功率放大電路:是為了適應(yīng)工業(yè)控制的要求，將微電腦輸出的信號(hào)加以放大。一般采用繼電器輸出，也有的采用晶閘管或晶體管輸出。
除了上面介紹的幾個(gè)主要部件外，還配有和各種外圍設(shè)備的接口，均用插座引出到外殼上，可配接編程器、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、錄音機(jī)以及A/D .D/A串行通信模塊等，可以方便地用電纜進(jìn)行連接。
4.4.2 基本工作原理
雖然具有微機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。如常見(jiàn)的鍵盤掃描方式或掃描方式，有鍵按下或動(dòng)作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無(wú)鍵按下則繼續(xù)掃描。則采用循環(huán)掃描工作方式，在中，用戶程序按先后順序存放，從第一條指令開(kāi)始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。這個(gè)工作過(guò)程分為五個(gè)階段:自診斷，與編程器等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出刷新[7]。其工作過(guò)程框圖如圖4.2所示。
自診斷
與編程器計(jì)算機(jī)等通信
讀入現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)
執(zhí)行用戶程序
結(jié)果輸出
圖4.2 PLC的工作過(guò)程
1、每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為部分、存儲(chǔ)器、等，發(fā)現(xiàn)異常停機(jī)顯示出錯(cuò)。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。
2、檢查是否有與編程器和計(jì)算機(jī)的通信請(qǐng)求，若有則進(jìn)行相應(yīng)處理，如接收編程器送來(lái)的程序、命令和各種數(shù)據(jù)，并把顯示的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、出錯(cuò)信息等發(fā)送給編程器進(jìn)行顯示。如果有與計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求，也在這段時(shí)間完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送任務(wù)。
3、的中央處理器對(duì)各個(gè)輸入端進(jìn)行掃描，將輸入的狀態(tài)送到輸入狀態(tài)寄存器中，這是輸入采樣階段。
4、中央處理器將指令逐條調(diào)出并執(zhí)行，以對(duì)輸入和原輸出狀態(tài)(這些狀態(tài)統(tǒng)稱為數(shù)據(jù))進(jìn)行“處理”，即按程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、算術(shù)運(yùn)算，再將正確的結(jié)果送到輸出狀態(tài)寄存器中，這就是程序執(zhí)行階段。
5、當(dāng)所有的指令執(zhí)行完畢時(shí)，集中把輸出狀態(tài)寄存器的狀態(tài)通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備能接收的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備，這就是輸出刷新階段。
經(jīng)過(guò)這五個(gè)階段的工作過(guò)程，稱為一個(gè)掃描周期，完成一個(gè)掃描周期后，又重新執(zhí)行上述過(guò)程，掃描周而復(fù)始地進(jìn)行，掃描周期是的重要指標(biāo)之一，在不考慮第二個(gè)因素(與編程器等通信)時(shí)，掃描周期T見(jiàn)公式：
T=(讀入一點(diǎn)時(shí)間輸入點(diǎn)數(shù))+(運(yùn)算速度程序步數(shù))
十(輸出一點(diǎn)時(shí)間輸出點(diǎn)數(shù))十故障診斷時(shí)間
顯然掃描時(shí)間主要取決于程序的長(zhǎng)短，一般每秒鐘可掃描數(shù)十次以上，這對(duì)于工業(yè)設(shè)備通常沒(méi)什么影響。但對(duì)控制要求嚴(yán)格，響應(yīng)速度要求快的系統(tǒng)，就應(yīng)該精確地計(jì)算響應(yīng)的時(shí)間，細(xì)心編排程序，合理安排指令的順序，以盡可能減少掃描周期造成的不良影響。
與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不同。繼電接觸器控制是按并行方式工作的，也就是說(shuō)是按同時(shí)執(zhí)行的方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個(gè)繼電器同時(shí)動(dòng)作，而是以反復(fù)掃描的方式工作的，它是循環(huán)地連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時(shí)刻它只能執(zhí)行一條指令，這就是說(shuō)是以串行方式工作的[l9]。這種串行工作方式可以避免繼電控制的觸點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配的問(wèn)題。
總之，采用循環(huán)掃描的工作方式也是區(qū)別于微機(jī)的最大特點(diǎn)，使用者應(yīng)特別注意：在的程序中，前面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果在本次掃描過(guò)程中，影響后面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果；而后面邏輯行的執(zhí)行結(jié)果在本次掃描中不影響前面邏輯行的結(jié)果。
4.5 我國(guó)常用的性能特點(diǎn)
4.5.1 SIMATIC S7系列 [24]
SIMATIC S7系列適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200/300/400系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7系列具有極高的性能/價(jià)格比。
4.5.2 S7-200系列可編程序控制器
SIMATIC 57-200系列適用于各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。其主要特點(diǎn)為[2]：
1、豐富的指令集;
2、豐富的內(nèi)置集成功能;
3、實(shí)時(shí)特性;
4、強(qiáng)勁的通訊能力;
5、豐富的擴(kuò)展模塊。
S7-300系列可編程序控制器
S7-300是一種模塊化的小型系統(tǒng)，其優(yōu)越的性能價(jià)格比，使之成為中小規(guī)模控制系統(tǒng)理想
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