基于PLC的控制變頻器恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、第一章 緒論 . 21.1引言 . 21.2.變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介 . 21.2.1選題的背景 . 21.2.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況 . 31.2.3 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用的范圍 . 41.2.4 變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) . 41.3. 恒壓供水的設(shè)計(jì)要求和原理 . 51.3.1恒壓供水的要求 . 51.3.2系統(tǒng)的工作原理 . 5第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 52.1 變頻器的選擇 . 52.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu) . 62.1.2 變頻器的分類 . 62.1.3變頻器的控制方式 . 62.1.4 變頻器容量的選擇 . 72.1.5變頻器的接線 . 92.2 傳感器的選擇 . 92.3

2、可編程控制器(PLC) . 102.3.1 PLC的定義及特點(diǎn) . 102.3.2 PLC的工作原理 . 112.3.3 PLC的選擇 . 112.3.4 PLC的接線 . 112.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖 . 122.4.1 主電路圖 . 122.4.2 控制電路圖 . 12第三章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) . 143.1 PLC控制 . 143.1.1 手動(dòng)運(yùn)行 . 153.1.2 自動(dòng)運(yùn)行 . 153.2 程序梯形圖 . 16 附錄 . 錯(cuò)誤！未定義書簽。結(jié)束語 . 21致謝 . 21參考文獻(xiàn) . 21PLC控制變頻器的恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：隨著電力技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取

3、代了以往高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低，從而可以延長泵和閥門等器件的使用壽命；可以消除起動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。其穩(wěn)定安全的運(yùn)行性能、簡單方便的操作方式、以及齊全周到的功能，使供水實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)省人力并最終達(dá)到高效率的運(yùn)行目的。本文介紹了采用PLC控制的變頻調(diào)速供水系統(tǒng)，由過PID運(yùn)算，通過PLC控制變頻器，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有壓力穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速 、恒壓供水、1.1引言水是生命之源，人類生存和發(fā)展都離不開水。在通常的城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水中，基本

4、上都是靠供水站的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離心水泵，送給用戶。但供水機(jī)泵供水的同時(shí)，也消耗大量的能量，如果能在提高供水機(jī)泵的效率、確保供水機(jī)泵的可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，降低能耗，將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。隨著變頻調(diào)速技術(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，已逐漸取代原有的水塔供水系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于多層住宅小區(qū)生活供水系統(tǒng)。然而，由于新系統(tǒng)多會(huì)繼續(xù)使用原有系統(tǒng)的部分舊設(shè)備（如水泵）中，往往會(huì)出現(xiàn)一些在理論上意想不到的問題。本文介紹的變頻控制恒壓供水系統(tǒng)，是在對(duì)一個(gè)典型的水塔供水系統(tǒng)的技術(shù)改造實(shí)踐中，很好的解決了舊設(shè)備需要頻繁檢修的問題，效的節(jié)省了資金。1.2.變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡介1.2.1選題的背景我國長期以來在

5、市政供水、工業(yè)自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象;而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情 PID調(diào)節(jié)、PLC第一章產(chǎn)生壓力使管網(wǎng)中的自來水流動(dòng)， 高層建筑供水、PLC進(jìn)行邏輯控制，由變頻器進(jìn)行壓力凋節(jié)。在經(jīng) 緒論 把供水管網(wǎng)中的自來水 變頻恒壓供水系統(tǒng)，在對(duì)原有供水系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造的實(shí)踐根據(jù)盡量保留原有設(shè)備的原則設(shè)計(jì)的，該系統(tǒng)同時(shí)有工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，2 既體現(xiàn)了變頻控制恒壓供水的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，況，此時(shí)會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)還有可能造成水管爆裂和用水設(shè)備的損壞。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)供水壓力的方式，多采用頻繁啟

6、/停電機(jī)控制和水塔二次供水調(diào)節(jié)的方式，前者產(chǎn)生大量能耗的，而且對(duì)電網(wǎng)中其他負(fù)荷造成影響，設(shè)備不斷啟停會(huì)影響設(shè)備壽命;后者則需要大量的占地與投資。且由于是二次供水，不能保證供水質(zhì)的安全與可靠性。而變頻調(diào)速式的運(yùn)行十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊，也沒有水塔供水所帶來的二次污染的危險(xiǎn)。由此可見，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有供水安全、節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。1.2.2 變頻恒壓供水的現(xiàn)況變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國

7、外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國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。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，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日

8、本SAMC公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式”，“變頻泵循環(huán)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7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(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。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵

9、的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)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、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。艾默生電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出恒壓供水專用變頻器(5.5kW-22kW)，無需外 3接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多4臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。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)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。可以

10、看出 ，目前在國內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(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(EMC)，的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制研究得不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。1.2.3 變頻供水系統(tǒng)應(yīng)用的范圍變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應(yīng)用，按所使用的范圍大致分為三類:(1)小區(qū)供水變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點(diǎn)是變頻控制的電機(jī)功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣

11、最多的方式.如希望集團(tuán)(森蘭變頻器)推出的恒壓供水專用變頻器。(2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻 器電機(jī)功率在135kw到320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟(jì)條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。(3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng)這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進(jìn)口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器在本文中，研究和設(shè)計(jì)的變頻器是以第一種應(yīng)用范圍為基礎(chǔ)。1.2.4

12、 變頻供水系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)變頻供水系統(tǒng)目前正在向集成化、維護(hù)操作簡單化方向發(fā)展,在國內(nèi)外，專門針對(duì)供水的變頻器集成化越來越高，很多專用供水變頻器集成了PLC 或PID，甚至將壓力傳感器也融入變頻組件。同時(shí)維護(hù)操作也越來越簡明顯偏高，維護(hù)成本也高于國內(nèi)產(chǎn)品。目前國內(nèi)有不少公司在從事進(jìn)行變頻恒壓供水的研制推廣，國產(chǎn)變頻器主要采用進(jìn)口元件組裝或直接進(jìn)口國外變頻器，結(jié)合PLC 或PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)恒壓供水，在小容量、控制要求的變 4頻供水領(lǐng)域，國產(chǎn)變頻器發(fā)展較快，并以其成本低廉的優(yōu)勢(shì)占領(lǐng)了相當(dāng)部分小容量變頻恒壓供水市場(chǎng)。但在大功率大容量變頻器上，國產(chǎn)變頻器有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善。1.3. 恒壓供水的設(shè)計(jì)要

13、求和原理1.3.1恒壓供水的要求根據(jù)用水量的變化（即壓力的變化）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量變化時(shí)保持水壓恒定。1.3.2系統(tǒng)的工作原理圖1 恒壓供水控制框圖恒壓供水系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理為：供水的壓力通過傳感器采集給系統(tǒng)，再通過變頻器的A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。同時(shí)變頻器的AD將壓力設(shè)定值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，兩個(gè)數(shù)據(jù)同時(shí)經(jīng)過PID控制模塊進(jìn)行比較。PID根據(jù)變頻器的參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以運(yùn)行頻率的形式控制輸出。PID控制模塊具有比較和差分的功能，供水的壓力低于設(shè)定壓力，變頻器就會(huì)將運(yùn)行頻率升高。相反則降低，并且可以根據(jù)壓力變化的快慢進(jìn)行差分調(diào)節(jié)。PLC根

14、據(jù)水壓情況一方面控制水泵變頻與工頻的切換，另一方面第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 變頻器的選擇交流變頻器是微計(jì)算機(jī)及現(xiàn)代電力電子技術(shù)高度發(fā)展的結(jié)果。微計(jì)算機(jī)是變頻器的核心，電力電子器件構(gòu)成了變頻器的主電路。大家都知道，從發(fā)電廠送出的交流電的頻率是恒定不變的，在我國是每秒50Hz。而交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。N1=式中N1-同步轉(zhuǎn)速，r/min； 60f1Pf1 -定子頻率，P -電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速式中s-s=(N1均與送入電機(jī)的電流頻率電機(jī)的運(yùn)行速度，也就是說變頻對(duì)于交流電機(jī)的調(diào)運(yùn)來說是十分合適的。 2.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電

15、路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。變頻器來說，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的 2.1.2 變頻器的分類變頻器的分類方法有多種，變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為頻器；按照工作原理分類，可以分為器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。2.1.3變頻器的控制方式 控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。Hz；異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率，N)/N1，一般小于3%/成正比例或接近于正比例。因而，改變頻率可以方便地改變(50Hz或整流電路將交流電變換成直流電，按照主電路工作方式分類，N=N1

16、(1-s)。變換成各種頻率的交流電源，CPUPAM控制變頻器、V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻660f1P(1-s)以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行以及一些相應(yīng)的電路。 可以分為電壓型變頻器和電流型PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包=-60Hz)對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的括歐、美、日及國產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。下表中參數(shù)供選用時(shí)參考。表1 控制方式的比較故選擇U/f=C控制2.1.4 變頻器容量的選擇變頻器的容量

17、直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實(shí)際操作中存在很多誤區(qū)，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補(bǔ)充。1、從電流的角度：大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)

18、的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大 7很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。2、從效率的角度：系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：（1）變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)

19、工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運(yùn)行。（4）經(jīng)測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過電流保護(hù)動(dòng)作。（5）當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。3、從計(jì)算功率的角度：對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足以下3個(gè)計(jì)算公式：(1)滿足負(fù)載輸出：PcnPm (3.1)(2)滿足電動(dòng)機(jī)容量：Pcn3KUeIe cos ×10-3(3)滿足電動(dòng)機(jī)電流：IcnKIe (3.2) (3.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），Pm為負(fù)載要求的電動(dòng)

20、機(jī)軸輸出功率（單位kW），Ue為電動(dòng)機(jī)額定電壓（單位V），Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流（單位A），為電動(dòng)機(jī)效率（通常約為085），cos為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補(bǔ)償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，通常K約為10511）。根據(jù)計(jì)算所得的所需參數(shù)可以選擇三菱FRA540型變頻器（如圖2所示），該變頻器配有PID功能。通過外部電位器作為壓力給定值。安裝在管網(wǎng)上的壓力傳感器反饋來的壓力信號(hào)(420mA)作為壓力反饋至變頻器的輔助輸入端4端、5端。變頻器時(shí)刻跟蹤管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力值之間的偏差變化情況。經(jīng)變頻器內(nèi)部PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)變頻器

21、的輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速。并通過PLC控制水泵工頻供電與變頻供電的切換，自動(dòng)控制水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。使水壓保持恒定。由于變頻器具有內(nèi)置的PID控制器，PID參數(shù)可通過在線調(diào)試，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，因此可以選擇。2.1.5變頻器的接線管腳STF接PLC的Y7管腳，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)。X2接變頻器的FU接口，X3接變頻器的OL接口。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵、減泵控制信號(hào)。圖2 變頻器接線圖2.2 傳感器的選擇壓力傳感器使用CY-YZ-1001型絕對(duì)壓力傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量

22、的力-電轉(zhuǎn)換。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。該傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560 ，供電電源為28±3V（DC）。圖3 壓力傳感器的接線圖2.3 可編程控制器(PLC)2.3.1 PLC的定義及特點(diǎn)在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）經(jīng)過4年的調(diào)查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PC，并作如下

23、定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算功能，用來對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。PLC的特點(diǎn)如下：1、高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms.(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)

24、成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。2、豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如： 交流或直流； 開關(guān)量或模擬量； 電壓或電流； 脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如： 按鈕 行程開關(guān) 接近開關(guān) 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu)為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜

25、將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學(xué)PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來說，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。2.3.2 PLC的工作原理 PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先

26、后順序存放，CPU從第一條指令開始執(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)。PLC的掃描過程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。2.3.3 PLC的選擇水泵M1、M2、M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的6個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需1個(gè)輸出信號(hào)控制，報(bào)警器的控制需要1個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共9個(gè)?？刂破饎?dòng)和停

27、止需要2個(gè)輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測(cè)信號(hào)占用 PLC 2個(gè)輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)起動(dòng)需1個(gè)輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)停止運(yùn)行需1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測(cè)電機(jī)是否過載需3個(gè)輸入點(diǎn)，共需15個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)量共為24個(gè)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FXOS-30MR-D型PLC。2.3.4 PLC的接線圖4 PLC的接線圖Y0接KM0控制M1的變頻運(yùn)行，Y1接KM1控制M1的工頻運(yùn)行；Y2接KM2控制M2的變頻運(yùn)行，Y3接KM3控制M2的工頻運(yùn)行；Y4接KM4控制M3的變頻運(yùn)行，Y5接KM5控制M3的工頻運(yùn)行。X0接起動(dòng)按鈕，X1接停止按鈕，X2接變頻器的FU接口，X3接變

28、頻器的OL接口，X4接M1 11的熱繼電器，X5接M2的熱繼電器，X6接M3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī)既接工頻電又接變頻電設(shè)計(jì)了電氣互鎖。在同時(shí)控制M1電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器KM1、KM0線圈中分別串入了對(duì)方的常閉觸頭形成電氣互鎖。頻率檢測(cè)的上/下限信號(hào)分別通過OL和FU輸出至PLC的X2與X3輸入端作為PLC增泵減泵控制信號(hào)。2.4 電氣控制系統(tǒng)原理圖電氣系統(tǒng)控制原理圖包括：主電路圖、控制電路圖、硬件接線圖。2.4.1 主電路圖如下圖5所示為電控系統(tǒng)主電路圖。三臺(tái)電機(jī)分別為M1、M2、M3。接觸KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3的工頻運(yùn)行；接觸器KM2、KM4、KM6分別控制

29、M1、M2、M3的變頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2、FR3分別為三臺(tái)水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；QS1、QS2、QS3、QS4分別為變頻器和三臺(tái)水泵電機(jī)主電路的隔離開關(guān)；FU1為主電路的熔斷器。圖5 電控系統(tǒng)主電路2.4.2 控制電路圖如圖6為電控系統(tǒng)控制電路圖。圖中SA為手動(dòng)/轉(zhuǎn)換開關(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SBlSB8控制三臺(tái)泵的啟/ 12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)電源指示燈。對(duì)變頻器R進(jìn)行復(fù)位時(shí)只提供一個(gè)干觸點(diǎn)信號(hào)，由于PM為4個(gè)輸出點(diǎn)為一組共用一個(gè)COM端，而本系統(tǒng)又沒

30、有剩下單獨(dú)的COM端輸出組，所以通過一個(gè)中間繼電器KA的觸點(diǎn)對(duì)變頻器實(shí)行復(fù)頻控制。圖6 電控系統(tǒng)控制電路圖第三章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)3.1 PLC控制PLC在系統(tǒng)中的作用是控制交流接觸器組進(jìn)行工頻變頻的切換和水泵工作數(shù)量的調(diào)整。工作流程如圖7所示。圖7 PLC程序流程圖系統(tǒng)起動(dòng)之后，檢測(cè)是自動(dòng)運(yùn)行模式還是手動(dòng)運(yùn)行模式。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。如果是自動(dòng)運(yùn)行模式，則系統(tǒng)根據(jù)程序及相關(guān)的輸入信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的操作。手動(dòng)模式主要是解決系統(tǒng)出錯(cuò)或器件出問題在自動(dòng)運(yùn)行模式中，如果PLC接到頻率上限信號(hào)，則執(zhí)行增泵程序，增加水泵的工作數(shù)量。如果

31、PLC接到頻率下限信號(hào)，則執(zhí)行減泵程序，減少水泵的工作數(shù)量。沒接到信號(hào)就保持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。3.1.1 手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式。按下SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時(shí)，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時(shí)切斷電機(jī)變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過大時(shí)，可以手動(dòng)按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行?？筛鶕?jù)需要，停按不同電機(jī)對(duì)應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺(tái)水泵.該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用.3.1.2

32、自動(dòng)運(yùn)行由PLC分別控制某臺(tái)電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制.升壓控制：系統(tǒng)工作時(shí)，每臺(tái)水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài).系統(tǒng)開始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，第一臺(tái)水泵M1，啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài).當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速.當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由

33、PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行;同時(shí)，使第二臺(tái)水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行.當(dāng)最后一臺(tái)水泵M3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警.降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺(tái)水泵關(guān)掉，恢復(fù)對(duì)水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值.當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺(tái)變頻

34、泵運(yùn)行為止。3.2 程序梯形圖M80020 CALL P10上電初始化，調(diào)初始化子程序X0004 MOV K3600 D100供水壓力給定值設(shè)置10 M800216 上電和故障結(jié)束時(shí)重新激活變頻泵號(hào)存儲(chǔ)器M1121 X00038 M11INC D184符合增泵條件時(shí)，工頻泵運(yùn)行那個(gè)數(shù)加50 頻率下限時(shí)，減泵濾波 T3859 M1267 符合減泵條件時(shí)， M11 工頻泵運(yùn)行數(shù)減71 變頻增泵或倒泵時(shí)。位置(T33 K1)復(fù)位變頻器頻率，微軟啟動(dòng)作準(zhǔn)備T33 Y015）PLS M14產(chǎn)生關(guān)斷當(dāng)前變頻泵脈沖信號(hào)M2182 M21 INC D182變頻泵號(hào)加87 T34 K2）T3491 PLS M1

35、5產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻啟動(dòng)脈沖信號(hào) 16 1 M20 1 1M1594 M1596M2298 T39102 PLS M16產(chǎn)生下一臺(tái)變頻運(yùn)行啟動(dòng)信號(hào)M16105 M16107 變頻工作泵的泵號(hào)轉(zhuǎn)移M8014119 一個(gè)變頻泵運(yùn)行持續(xù)時(shí)間判斷3時(shí)間到，則產(chǎn)生下一臺(tái)泵的變頻啟動(dòng)信號(hào)有工頻泵運(yùn)行時(shí)復(fù)位到M8002 M30 M14 Y000 D190M101號(hào)泵變頻運(yùn)行控制邏輯M16Y001M16 M30 M14 Y000(Y003)Y003 2號(hào)泵變頻運(yùn)行控制邏輯M16 M30 M14 Y004(Y005)Y0053號(hào)泵變頻運(yùn)行控制邏輯M15 Y001191 (Y000) Y0001號(hào)泵工頻運(yùn)行控制邏輯M

36、15 Y003217 Y000 2號(hào)泵工頻運(yùn)行控制邏輯M15 Y003243 Y000 3號(hào)泵工頻運(yùn)行控制邏輯X000269 Y010） 火災(zāi)時(shí)，閥YU2打開 X001 X002271 (M33)水池低水位信號(hào)處理 M31M8014 M31275 M32 水池水位下限信號(hào)燈X005M8014 X003281 M3 變頻器故障控制信號(hào)X005M8014 X000287 M34 火災(zāi)指示燈X005X004 M31293 M32 水池水位下限故障消鈴邏輯X004 X003297 (M33)M33 變頻器故障消鈴邏輯X004 X000301 (M34)火災(zāi)消鈴邏輯M31 M32305 X003 M33X005M31315 (M30)X003